JP2012104703A - 半導体装置の製造方法および基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高誘電率を有する薄膜を改質する半導体装置の製造方法及び基板処理装置を提供する。
【解決手段】高誘電体膜が形成された基板を処理室へ搬入する工程と、基板にマイクロ波を照射することにより、高誘電体膜を加熱して改質する工程と、基板を前記処理室から搬出する工程と、を有する半導体装置の製造方法が提供される。
【選択図】図８

Description

本発明は、基板上にＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の半導体装置を製造する基板処理技術に係り、特に、半導体ウェハ（以下、ウェハという。）等の基板を処理し、半導体装置を製造する半導体製造装置や、基板を処理する基板処理装置、あるいは、半導体装置の製造方法に関する。

基板上に膜を形成する成膜法の一例として、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ ＤｅｐｏｓｉＴｉｏｎ）、ＣＶＤ
（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ ＤｅｐｏｓｉＴｉｏｎ）法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ ＤｅｐｏｓｉＴｉｏｎ）法が挙げられる。
ＰＶＤ法は、イオン衝撃や熱エネルギーによって固体原料から物理的に気相中に放出され
た原料原子を利用して、原料に含まれる元素を構成要素とする膜を基板上に成膜する方法
である。ＣＶＤ法とは、気相中もしくは基板表面における２種以上の原料の反応を利用して、原料分子に含まれる元素を構成要素とする膜を基板上に成膜する方法である。ＣＶＤ法は、気相中もしくは基板表面における反応を利用するため、ＰＶＤ法と比較してステップカバレージ（段差被覆性）に優れる。ＡＬＤ法は、ある成膜条件（温度や時間等）下で、成膜に用いる２種以上の原料について、１種類ずつ交互に基板上に供給して原子層単位で基板に吸着させ、表面反応を利用して原子層レベルで制御して成膜する方法である。例えば特許文献１のように、ＡＬＤ法は、ＣＶＤ法と比較してより低い基板温度（処理温度）において処理が可能であり、また、成膜サイクルの回数によって形成する膜厚の制御が可能である。

国際公開第２００７／０２８７４号

また、基板上に形成される絶縁性膜としては、例えば、比誘電率の高いＨｉｇｈ−ｋ（高誘電体）膜であるハフニウム（Ｈｆ）やジルコニウム（Ｚｒ）やアルミニウム（Ａｌ）の酸化物および窒化物などが挙げられる。特にＨｉｇｈ−ｋ膜であるハフニウム酸化膜（ＨｆＯｘ）、ジルコニウム酸化膜（ＺｒＯｘ）などは、ＨｆやＺｒを組成に含む有機あるいは無機材料と、酸素(Ｏ_２)やオゾン(Ｏ_３)などの酸化性ガスを反応させることによって形成されている。

これらの技術を用いて、例えばＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）のキャパシタ等のキャパシタ電極やトランジスタゲート構造等が形成される。キャパシタは、電極に絶縁膜が挟まれた積層構造を有する。チタン窒化膜（ＴｉＮ膜）、Ｈｉｇｈ−ｋ膜、チタン窒化膜を交互に成膜することにより、上下電極としてのチタン窒化膜で、容量絶縁膜としてのＨｉｇｈ−ｋ膜が挟まれた積層構造の形態を有するキャパシタが形成される。チタン窒化膜は、四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）等のチタン（Ｔｉ）含有ガスとアンモニア（ＮＨ_３）等の窒素剤（窒素（Ｎ）含有ガス）を用いて成膜され、Ｈｉｇｈ−ｋ膜として例えばジルコニウム酸化膜（ＺｒＯ膜）はテトラキスエチルメチルアミノジルコニウム（ＴＥＭＡＺ：Ｚｒ［Ｎ（ＣＨ_３）ＣＨ_２ＣＨ_３］_４）とオゾン（Ｏ_３）等の酸化剤（酸素（Ｏ）含有ガス）を用いて成膜される。また、Ｈｉｇｈ−ｋ膜成膜後に、比誘電率の向上を目的として結晶化アニールを実施する場合もある。これはＨｉｇｈ−ｋ膜の比誘電率がその結晶構造に依存するためである。

例えばＤＲＡＭのキャパシタの場合、下部電極であるチタン窒化膜の上にＨｉｇｈ−ｋ膜を成膜することになるが、酸化剤の酸化能力不足やプロセス条件の不完全性、低温化要求などによってＨｉｇｈ−ｋ膜を構成する全ての原料を完全に酸化ができないこと、及びＨｉｇｈ−ｋ膜の比誘電率を向上させるために結晶化アニールを行う際に酸素が遊離してしまうことなどの理由により、Ｈｉｇｈ−ｋ膜中に酸素が欠損したり、炭素（Ｃ）が残留してしまうなど膜中欠陥が発生してしまう場合がある。このような膜中欠陥を経路として電流が流れることによりキャパシタのリーク電流を増大させてしまったり、キャパシタが劣化するなどの不良現象が発生する。また、結晶化アニールの最適化が不十分でＨｉｇｈ−ｋ膜の結晶構造が十分に制御されていない場合、比較的低誘電率を持つ結晶相が支配的になることにより要求される比誘電率が実現できない、大きな結晶粒が発生することによるリーク電流の増大などの不具合が発生する。

そこで、本発明の目的は、上述した課題を解決し、Ｈｉｇｈ−ｋ膜が存在する半導体装置の製造工程の途中で、結晶構造の最適化や結晶化促進、酸素欠損の低減、残留不純物の低減などを可能とし、絶縁性膜に好適な改質処理を行うことが可能な半導体装置の製造方法及び基板処理装置を提供することにある。

本発明の第１の特徴とするところは、高誘電体膜が形成された基板を処理室へ搬入する工程と、基板にマイクロ波を照射することにより、高誘電体膜を加熱して改質する工程と、基板を前記処理室から搬出する工程と、を有する半導体装置の製造方法にある。

本発明の第２の特徴とするところは、処理室と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置と、
マイクロ波発生装置で発生させたマイクロ波を処理室に供給する導波口と、高誘電体膜が形成された基板が収容された処理室へ導波口からマイクロ波を供給するマイクロ波発生装置を制御する基板処理装置にある。

本発明の第３の特徴とするところは、高誘電体膜が形成された基板を複数枚収容可能な反応管と、反応管内で基板を積層して支持する基板支持部材と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置と、マイクロ波発生装置で発生させたマイクロ波を反応管内に供給する導波口と、を有し、基板は、基板の上面に反応管内に供給するマイクロ波の半波長以上の空間を設けるよう基板支持部材に載置され、導波口は反応管の側壁に設けられることを特徴とする基板処理装置にある。

本発明によれば、高誘電率を有する絶縁性薄膜が形成された形態の基板に対して、結晶粒成長や結晶配向性の改善等の、いわゆる改質処理を行う工程を有する半導体装置の製造方法および基板処理装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態にかかる成膜処理装置の斜視図である。 本発明の第１の実施形態にかかる処理炉及びその周辺構造の概略図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の第１の実施形態にかかる改質処理装置の垂直断面図である。 マイクロ波パワーと基板温度の相関の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態にかかる成膜処理装置の成膜動作のフローチャートである。 成膜動作におけるガスの供給タイミングである。 本発明の第１の実施形態にかかる改質処理装置の改質動作のフローチャートである。 本発明の第２の実施形態にかかる改質処理装置の垂直断面図である。 本発明の第３の実施形態にかかる改質処理装置の垂直断面図である。 本発明の第３の実施形態にかかる改質処理装置の他の例を説明する概略図である。 本発明の第４の実施形態にかかる改質処理装置の例を説明する概略図である。 本発明の第５の実施形態にかかる改質処理装置の例を説明する概略図である。 本発明の第５の実施形態にかかる改質処理装置の改質動作のフローチャートである。 本発明の第５の実施形態にかかる改質処理装置の他の例を説明する概略図である。 本発明の第５の実施形態にかかる改質処理装置の他の例を説明する概略図である。 本発明の第５の実施形態にかかる改質処理装置の他の例を説明する概略図である。 本発明の第６の実施形態にかかる改質処理装置の他の例を説明する概略図である。

（第１の実施形態）
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態において、基板処理装置システムは、一例として、半導体装置（ＩＣ：Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）の製造方法における基板処理工程である成膜工程及び改質工程を実施する半導体製造装置システムとして構成されている。
基板処理装置システムは、成膜処理装置１０と改質処理装置２００とにより構成される。

＜成膜処理装置構成＞
まず、成膜処理装置１０について説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる成膜処理装置１０の斜視図を示す。なお、以下の説明では、成膜処理装置１０としてバッチ式縦型装置を用いた場合について述べる。

成膜処理装置１０では、シリコン等から構成される基板としてのウエハ２を収納するウエハキャリアとしてカセット４が使用される。
成膜処理装置１０は、筐体１２を備える。筐体１２の正面壁１２ａの下方には、メンテナンス可能なように設けられた開口部としての正面メンテナンス口１８が開設されている。正面メンテナンス口１８には、開閉自在な正面メンテナンス扉２０が建て付けられている。

正面メンテナンス扉２０には、カセット搬入搬出口２２が筐体１２内外を連通するように開設されており、カセット搬入搬出口２２は、フロントシャッタ２４によって開閉されるようになっている。

カセット搬入搬出口２２の筐体１２内側には、カセットステージ２６が設置されている。カセット４は、工場内搬送装置（非図示）によって、カセットステージ２６上に搬入されたり、カセットステージ２６上から搬出されたりするようになっている。

カセットステージ２６には、工場内搬送装置によって、カセット４内でウエハ２が垂直姿勢を保持し、このカセット４のウエハ出し入れ口が上方向を向くようにしてカセット４が載置される。カセットステージ２６は、カセット４を筐体１２後方に右回り縦方向９０°回転し、カセット４内のウエハ２が水平姿勢となり、カセット４のウエハ出し入れ口が筐体１２後方を向くように動作可能に構成されている。

筐体１２内の前後方向の略中央下部には、カセット棚２８が設置されている。カセット棚２８は、複数段複数列にわたり複数個のカセット４を保管するように構成されている。カセット棚２８には、後述するウエハ移載機構３６の搬送対象となるカセット４が収納される移載棚３０が設けられている。
カセットステージ２６の上方には、予備カセット棚３２が設置されており、予備のカセット４を保管するように構成されている。

カセットステージ２６とカセット棚２８との間には、カセット搬送装置３４が設置されている。カセット搬送装置３４は、カセット４を保持したまま昇降可能なカセットエレベータ３４ａと、搬送機構としてのカセット搬送機構３４ｂとで構成されている。カセット搬送装置３４は、カセットエレベータ３４ａとカセット搬送機構３４ｂとの連続動作により、カセット４をカセットステージ２６、カセット棚２８、及び予備カセット棚３２の間で搬送する。

カセット棚２８の後方には、ウエハ移載機構３６が設置されている。ウエハ移載機構３６は、ウエハ２を水平方向に回転ないし直動可能なウエハ移載装置３６ａと、このウエハ移載装置３６ａを昇降させるウエハ移載装置エレベータ３６ｂとで構成されている。

ウエハ移載装置エレベータ３６ｂは、筐体１２の右側端部に設置されている。ウエハ移載機構３６は、ウエハ移載装置３６ａとウエハ移載装置エレベータ３６ｂとの連続動作により、ウエハ移載装置３６ａのツイーザ３６ｃでウエハ２をピックアップしてそのウエハ２をボート３８に装填（チャージング）したり、ボート３８から脱装（ディスチャージング）したりするように構成されている。

筐体１２の後部上方には、処理炉４０が設けられている。処理炉４０の下端部は炉口シャッタ４２により開閉されるように構成されている。

処理炉４０の下方には、ボート３８を処理炉４０に昇降させるボートエレベータ４４が設置されている。ボートエレベータ４４には、連結具としてのアーム４６が連結されており、このアーム４６には、蓋体としてのシールキャップ４８が水平に据え付けられている。

ボート３８は複数の保持部材を備えており、複数枚（例えば５０〜１５０枚程度）のウエハ２をその中心を揃えて垂直方向に整列させた状態で、それぞれ水平に保持するように構成されている。

シールキャップ４８は、例えばステンレス等の金属からなり、円盤状に形成されている。シールキャップ４８はボート３８を垂直に支持するもので、処理炉４０の下端部を閉塞可能なように構成されている。

カセット棚２８の上方には、清浄化した雰囲気であるクリーンエアを供給する第１のクリーンユニット５０ａが設置されている。第１のクリーンユニット５０ａは、供給ファン及び防塵フィルタで構成されており、クリーンエアを筐体１２の内部に流通させるように構成されている。

ウエハ移載装置エレベータ３６ｂ及びボートエレベータ４４側と反対側である筐体１２の左側端部には、クリーンエアを供給する第２のクリーンユニット５０ｂが設置されている。第２のクリーンユニット５０ｂは、第１のクリーンユニット５０ａと同様に供給ファン及び防塵フィルタから構成されている。第２のクリーンユニット５０ｂから供給されたクリーンエアは、ウエハ移載装置３６ａ、ボート３８等の近傍を流通し、その後、排気装置（非図示）から筐体１２の外部に排気される。

次に、成膜処理装置１０の動作について説明する。

カセット４がカセットステージ２６に供給されるのに先立って、カセット搬入搬出口２２がフロントシャッタ２４によって開放される。その後、カセット４は、カセット搬入搬出口２２からカセットステージ２６上に搬入される。このとき、カセット４内のウエハ２は垂直姿勢に保持され、カセット４のウエハ出し入れ口が上方向を向くように載置される。

その後、カセット４は、カセットステージ２６によって、カセット４内のウエハ２が水平姿勢となり、カセット４のウエハ出し入れ口が筐体１２の後方を向くように、右周り縦方向９０°回転される。

次に、カセット４は、カセット棚２８ないし予備カセット棚３２の指定された棚位置へカセット搬送装置３４によって自動的に搬送されて受け渡され、一時的に保管された後、カセット棚２８ないし予備カセット棚３２からカセット搬送装置３４によって移載棚３０に移載されるか、もしくは直接移載棚３０に搬送される。

カセット４が移載棚３０に移載されると、ウエハ２はカセット４からウエハ移載装置３６ａのツイーザ３６ｃによってウエハ出し入れ口を通じてピックアップされ、ボート３８に装填（チャージング）される。ボート３８にウエハ２を受け渡したウエハ移載装置３６ａはカセット４に戻り、次のウエハ２をボート３８に装填する。

予め指定された枚数のウエハ２がボート３８に装填されると、炉口シャッタ４２が開かれ、処理炉４０の下端部が開放される。続いて、ウエハ２群を保持したボート３８は、シールキャップ４８がボートエレベータ４４によって上昇されることで、処理炉４０内へ搬入（ローディング）される。

ローディング後は、処理炉４０にてウエハ２に処理が実施される。処理後は、上記と逆の手順で、カセット４及びウエハ２が筐体１２の外部に搬出される。

次に、処理炉４０の周辺構造について説明する。
図２は、処理炉４０及びその周辺構造の概略図を示す。図３は、図２のＡ−Ａ線断面図を示す。

処理炉４０は、加熱手段（加熱機構）としてのヒータ７２を有する。
ヒータ７２は円筒形状であり、保持板としてのヒータベース（非図示）に支持されることにより垂直に据え付けられている。ヒータ７２の内側には、このヒータ７２と同心円状に反応容器（処理容器）を構成する反応管７４が設けられている。

反応管７４の下方に、この反応管７４の下端開口を気密に閉塞可能なシールキャップ４８が配置される。シールキャップ４８は、反応管７４の下端に垂直方向下側から当接されるようになっている。シールキャップ４８の上面には、反応管７４の下端と当接するシール部材としてのＯリング７６が設けられている。
処理炉４０では、少なくとも、反応管７４及びシールキャップ４８によりウエハ２を成膜処理する処理室（成膜室）８０が形成されている。

シールキャップ４８の処理室８０と反対側には、ボート３８を回転させる回転機構８２が設けられている。回転機構８２の回転軸８４は、シールキャップ４８を貫通してボート３８に接続されており、このボート３８を回転させることでウエハ２を回転させるように構成されている。
シールキャップ４８がボートエレベータ４４によって垂直方向に昇降されることで、ボート３８は処理室８０に対し搬入搬出される構成となっている。

シールキャップ４８には、断熱部材としての石英キャップ８６を介してボート３８が立設される。石英キャップ８６は、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料で構成され、断熱部として機能するとともにボート３８を保持する保持体となっている。

反応管７４には、処理室８０内の雰囲気を排気する排気管９０が設けられている。排気管９０には、処理室８０内の圧力を検出する圧力検出器（圧力検出部)としての圧力センサ９２及び圧力調整器（圧力調整部）としてのＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）バルブ９４を介して、真空排気装置としての真空ポンプ９６が接続されている。真空ポンプ９６は、処理室８０内の圧力が所定の圧力（真空度）となるよう真空排気するように構成されている。
なお、ＡＰＣバルブ９４は弁を開閉して処理室８０内の真空排気・真空排気停止ができ、さらに弁開度を調節して圧力調整可能となっている開閉弁である。
主に、排気管９０、圧力センサ９２、ＡＰＣバルブ９４、真空ポンプ９６により排気系が構成される。

反応管７４内には、温度検出器としての温度センサ９８が設置されており、この温度センサ９８により検出された温度情報に基いてヒータ７２への通電具合を調整することで、処理室８０内の温度が所望の温度分布となるように構成されている。温度センサ９８は、Ｌ字型に構成されており、反応管７４の内壁に沿って設けられている。

処理室８０内であって反応管７４の下部には、４本のノズル（ノズル１００ａ、ノズル１００ｂ、ノズル１００ｃ、ノズル１００ｄ）が反応管７４を貫通するように設けられている。
ノズル１００ａ、ノズル１００ｂ、ノズル１００ｃ、及びノズル１００ｄにはそれぞれ、ガス供給管１０２ａ、ガス供給管１０２ｂ、ガス供給管１０２ｃ、及びガス供給管１０２ｄが接続されている。
このように、反応管７４には、４本のノズル１００ａ−１００ｄと、４本のガス供給管１０２ａ−１０２ｄが設けられており、処理室８０は、その内部へ複数種類のガスを供給されることが可能ように構成されている。

ガス供給管１０２ａには、上流方向から順に、流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１０４ａ、気化装置（気化手段）であり液体原料を気化して原料ガスとしての気化ガスを生成する気化器１０６ａ、及び開閉弁であるバルブ１０８ａが設けられている。
バルブ１０８ａを開けることにより、気化器１０６ａ内で生成された気化ガスが、ノズル１００ａを介して処理室８０内へ供給されるように構成されている。

ガス供給管１０２ａの気化器１０６ａとバルブ１０８ａの間には、排気管９０に接続されたベントライン１１０ａが接続されている。ベントライン１１０ａには、開閉弁であるバルブ１１８ａが設けられており、原料ガスを処理室８０に供給しない場合は、バルブ１１８ａを介して原料ガスをベントライン１１０ａへ供給できるように構成されている。
このため、バルブ１０８ａを閉めバルブ１１８ａを開けることにより、気化器１０６ａにおける気化ガスの生成を継続したまま、処理室８０内への気化ガスの供給を停止することが可能となっている。
気化ガスを安定して生成するには所定の時間を要するが、本実施形態においては、バルブ１０８ａとバルブ１１８ａの切り替え動作によって、処理室８０内への気化ガスの供給・停止を短時間で切り替えることが可能な構成となっている。

ガス供給管１０２ａには、バルブ１０８ａの下流側（反応管７４に近い側）に不活性ガス供給管１２２ａが接続されている。不活性ガス供給管１２２ａには、上流方向から順に、ＭＦＣ１２４ａ、及び開閉弁であるバルブ１２８ａが設けられている。

ガス供給管１０２ａの先端部に、ノズル１００ａが接続されている。ノズル１００ａは、反応管７４の内壁とウエハ２との間における円弧状の空間に、反応管７４の内壁の下部より上部に沿って、ウエハ２の積載方向上方に向かって立ち上がるように設けられている。

ノズル１００ａは、Ｌ字型のロングのノズルとして構成されている。ノズル１００ａの側面には、ガスを供給するガス供給孔１３０ａが設けられており、このガス供給孔１３０ａは、反応管７４の中心を向くように開口している。
ガス供給孔１３０ａは、反応管７４の下部から上部にわたって複数設けられ、それぞれが同一の開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。

主に、ガス供給管１０２ａ、ベントライン１１０ａ、ＭＦＣ１０４ａ、気化器１０６ａ、バルブ１０８ａ、１１８ａ、ノズル１００ａにより第１のガス供給系が構成される。
また，主に、不活性ガス供給管１２２ａ、ＭＦＣ１２４ａ、バルブ１２８ａにより第１の不活性ガス供給系が構成される。

ガス供給管１０２ｂには、上流方向から順に、ＭＦＣ１０４ｂ、及び開閉弁であるバルブ１０８ｂが設けられている。

ガス供給管１０２ｂには、バルブ１０８ｂの下流側（反応管７４に近い側）に不活性ガス供給管１２２ｂが接続されている。不活性ガス供給管１２２ｂには、上流方向から順に、ＭＦＣ１２４ｂ、及び開閉弁であるバルブ１２８ｂが設けられている。

ガス供給管１０２ｂの先端部に、ノズル１００ｂが接続されている。ノズル１００ｂは、反応管７４の内壁とウエハ２との間における円弧状の空間に、反応管７４の内壁の下部より上部に沿って、ウエハ２の積載方向上方に向かって立ち上がるように設けられている。

ノズル１００ｂは、Ｌ字型のロングのノズルとして構成されている。ノズル１００ｂの側面には、ガスを供給するガス供給孔１３０ｂが設けられており、このガス供給孔１３０ｂは、反応管７４の中心を向くように開口している。
ガス供給孔１３０ｂは、反応管７４の下部から上部にわたって複数設けられ、それぞれが同一の開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。

主に、ガス供給管１０２ｂ、ＭＦＣ１０４ｂ、バルブ１０８ｂ、ノズル１００ｂにより第２のガス供給系が構成される。
また、主に、不活性ガス供給管１２２ｂ、ＭＦＣ１２４ｂ、バルブ１２８ｂにより第２の不活性ガス供給系が構成される。

ガス供給管１０２ｃには、上流方向から順に、ＭＦＣ１０４ｃ、気化器１０６ｃ、及び開閉弁であるバルブ１０８ｃが設けられている。
バルブ１０８ｃを開けることにより、気化器１０６ｃ内にて生成された気化ガスがノズル１００ｃを介して処理室８０内へ供給されるように構成されている。

ガス供給管１０２ｃの気化器１０６ｃとバルブ１０８ｃの間には、排気管９０に接続されたベントライン１１０ｃが接続されている。ベントライン１１０ｃには、開閉弁であるバルブ１１８ｃが設けられており、原料ガスを処理室８０に供給しない場合は、バルブ１１８ｃを介して原料ガスをベントライン１１０ｃへ供給できるように構成されている。
このため、バルブ１０８ｃを閉めバルブ１１８ｃを開けることにより、気化器１０６ｃにおける気化ガスの生成を継続したまま、処理室８０内への気化ガスの供給を停止することが可能となっている。
気化ガスを安定して生成するには所定の時間を要するが、本実施形態においては、バルブ１０８ｃとバルブ１１８ｃの切り替え動作によって、処理室８０内への気化ガスの供給・停止を短時間で切り替えることが可能な構成となっている。

ガス供給管１０２ｃには、バルブ１０８ｃの下流側に不活性ガス供給管１２２ｃが接続されている。不活性ガス供給管１２２ｃには、上流方向から順に、ＭＦＣ１２４ｃ、及び開閉弁であるバルブ１２８ｃが設けられている。

ガス供給管１０２ｃの先端部に、ノズル１００ｃが接続されている。ノズル１００ｃは、反応管７４の内壁とウエハ２との間における円弧状の空間に、反応管７４の内壁の下部より上部に沿って、ウエハ２の積載方向上方に向かって立ち上がるように設けられている。

ノズル１００ｃは、Ｌ字型のロングのノズルとして構成されている。ノズル１００ｃの側面には、ガスを供給するガス供給孔１３０ｃが設けられており、このガス供給孔１３０ｃは反応管７４の中心を向くように開口している。
ガス供給孔１３０ｃは、反応管７４の下部から上部にわたって複数設けられ、それぞれが同一の開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。

主に、ガス供給管１０２ｃ、ベントライン１１０ｃ、ＭＦＣ１０４ｃ、気化器１０６ｃ、バルブ１０８ｃ、１１８ｃ、ノズル１００ｃにより第３のガス供給系が構成される。
また、主に、不活性ガス供給管１２２ｃ、ＭＦＣ１２４ｃ、バルブ１２８ｃにより第３の不活性ガス供給系が構成される。

ガス供給管１０２ｄには、上流方向から順に、オゾン（Ｏ３）ガスを生成する装置であるオゾナイザ１３２、バルブ１３４ｄ、ＭＦＣ１０４ｄ、気化器１０６ｄ、及び開閉弁であるバルブ１０８ｄが設けられている。

ガス供給管１０２ｄの上流側は、酸素（Ｏ２）ガスを供給する酸素ガス供給源（非図示）に接続されている。オゾナイザ１３２に供給されたＯ２ガスは、このオゾナイザ１３２にてＯ３ガスとなり、処理室８０内に供給されるように構成されている。

ガス供給管１０２ｄのオゾナイザ１３２とバルブ１３４ｄの間には、排気管９０に接続されたベントライン１１０ｄが接続されている。ベントライン１１０ｄには、開閉弁であるバルブ１１８ｄが設けられており、Ｏ３ガスを処理室８０に供給しない場合は、バルブ１１８ｄを介してＯ３ガスをベントライン１１０ｄへ供給できるように構成されている。
このため、バルブ１０８ｄを閉めバルブ１３４ｄを開けることにより、オゾナイザ１３２によるＯ３ガスの生成を継続したまま、処理室８０内へのＯ３ガスの供給を停止することが可能となっている。
Ｏ３ガスを安定して生成するには所定の時間を要するが、本実施形態においては、バルブ１０８ｄ、バルブ１３４ｄ、及びバルブ１１８ｄの切り替え動作によって、処理室８０内へのＯ３ガスの供給・停止を短時間で切り替えることが可能な構成となっている。

ガス供給管１０２ｄには、バルブ１０８ｄの下流側に不活性ガス供給管１２２ｄが接続されている。不活性ガス供給管１２２ｄには、上流方向から順に、ＭＦＣ１２４ｄ、及び開閉弁であるバルブ１２８ｄが設けられている。

ガス供給管１０２ｄの先端部に、ノズル１００ｄが接続されている。ノズル１００ｄは、反応管７４の内壁とウエハ２との間における円弧状の空間に、反応管７４の内壁の下部より上部に沿って、ウエハ２の積載方向上方に向かって立ち上がるように設けられている。

ノズル１００ｄは、Ｌ字型のロングのノズルとして構成されている。ノズル１００ｄの側面には、ガスを供給するガス供給孔１３０ｄが設けられており、このガス供給孔１３０ｄは、反応管７４の中心を向くように開口している。
ガス供給孔１３０ｄは、反応管７４の下部から上部にわたって複数設けられ、それぞれが同一の開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。

主に、ガス供給管１０２ｄ、ベントライン１１０ｄ、ＭＦＣ１０４ｄ、オゾナイザ１３２、バルブ１０８ｄ、１３４ｄ、１１８ｄ、ノズル１００ｄにより第４のガス供給系が構成される。
また、主に、不活性ガス供給管１２２ｄ、ＭＦＣ１２４ｄ、バルブ１２８ｄにより第４の不活性ガス供給系が構成される。

ガス供給管１０２ａからは、第１の原料ガス（処理ガス）として、例えばチタン原料ガス、すなわちチタン（Ｔｉ）を含むガス（チタン含有ガス）が、ＭＦＣ１０４ａ、気化器１０６ａ、バルブ１０８ａ、ノズル１００ａを介して処理室８０内に供給される。
チタン含有ガスとしては、例えば四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）を用いることができる。

第１の原料ガス（第１の原料）は、常温常圧で固体、液体、及び気体のいずれであってもよいが、本実施形態においては液体である場合について説明する。第１の原料が常温常圧で気体の場合は、気化器１０６ａを省略することができる。

ガス供給管１０２ｂからは、窒化ガス（窒化剤）として、窒素（N）を含む処理ガス（窒素含有ガス）が、ＭＦＣ１０４ｂ、バルブ１０８ｂ、ノズル１００ｂを介して処理室８０内に供給される。
窒素含有ガスとしては、例えばアンモニア（ＮＨ_３）ガス、窒素（Ｎ_２）ガス、三フッ化窒素（ＮＦ_３）ガス、Ｎ_３Ｈ_８ガスを用いることができる。

ガス供給管１０２ｃからは、第２の原料ガス（処理ガス）として、例えばジルコニウム原料ガス、すなわちジルコニウム（Ｚｒ）を含むガス（ジルコニウム含有ガス）が、ＭＦＣ１０４ｃ、気化器１０６ｃ、バルブ１０８ｃ、ノズル１００ｃを介して処理室８０内へ供給される。
ジルコニウム含有ガスとしては、例えばテトラキスエチルメチルアミノジルコニウム（ＴＥＭＡＺ：Ｚｒ（Ｎ（ＣＨ_３）Ｃ_２Ｈ_５）_４）を用いることができる。

第２の原料ガス（第２の原料）は、常温常圧で固体、液体、及び気体のいずれであってもよいが、本実施形態においては液体である場合について説明する。第２の原料が常温常圧で気体の場合は、気化器１０６ｃを省略することができる。

ガス供給管１０２ｄからは、酸化ガス（酸化剤）として、例えばＯ_３ガスが、バルブ１３４ｄ、ＭＦＣ１０４ｄ、バルブ１０８ｄを介して処理室８０内へ供給される。Ｏ_３ガスは、酸素（Ｏ）を含む処理ガス（酸素含有ガス）がオゾナイザ１３２に供給されることで生成される。酸素含有ガスとしては、例えばＯ_２ガスを用いることができる。

また、オゾナイザ１３２にてＯ_３ガスを生成せずに、酸化ガスとしてＯ_２ガスを処理室８０内へ供給することも可能である。

不活性ガス供給管１２２ａ−１２２ｄからは、不活性ガスとして、例えば窒素（Ｎ_２）ガスが、それぞれ対応するＭＦＣ１２４ａ−１２４ｄ、バルブ１２８ａ−１２８ｄ、ガス供給管１０２ａ−１０２ｄ、ノズル１００ａ−１００ｄを介して処理室８０内に供給される。
不活性ガスとしては、Ｎ_２ガスの他、アルゴン（Ａｒ）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガス等の希ガスを用いることができる。

＜改質処理装置構成＞
次に、改質処理装置２００について説明する。
図４は、本発明の一実施形態にかかる改質処理装置２００の垂直断面図を示す。改質処理装置２００は、処理室（改質室）２１０と搬送室（不図示）とマイクロ波供給部（マイクロ波発生装置、マイクロ波発振器）とを備える。処理室２１０は、ウェハ２を改質処理する。マイクロ波供給部は、マイクロ波発生部２２０と導波路（導波管）２２１と導波口２２２とを備える。

マイクロ波発生部２２０は、例えば、固定周波数マイクロ波又は可変周波数マイクロ波を発生する。マイクロ波発生部２２０としては、例えばマグネトロン、クライストロン、ジャイロトロン等が用いられる。マイクロ波発生部２２０で発生したマイクロ波は、導波路２２１を介して、処理室２１０と連通している導波口２２２から処理室２１０内に導入される。なお、図４ではマイクロ波は横方向からウエハ２に水平に導入しているが、これに限らず、例えば処理室２１０の上部からウエハ２に対して垂直方向にマイクロ波を導入してもよい。また、導波路２２１を複数設け、複数の導波路２２１から処理室２０．１内にマイクロ波を導入してもよい。
処理室２１０内に導入されたマイクロ波は、処理室２１０壁面に対して反射を繰り返す。マイクロ波は処理室２１０内でいろいろな方向へ反射し、処理室２１０内はマイクロ波で満たされる。処理室２１０内のウェハ２に当たったマイクロ波はウェハ２に吸収され、ウェハ２はマイクロ波により誘電加熱される。

なお、ここでマイクロ波とは周波数帯域が約３００ＭＨｚから約３００ＧＨｚの電磁波を総称する。真空中の波長でいうと約１ｍから１ｍｍ程度の電磁波である。このマイクロ波には約３０ＧＨｚから３００ＧＨｚ程度のミリ波を含む。

ウェハ２の温度は、マイクロ波のパワーが小さければ温度が低く、パワーが大きければ温度が高くなる。図５に、シリコンウェハにマイクロ波を照射したときのマイクロ波パワーとウェハ温度の相関データを示す。図５は、マイクロ波パワーと基板温度の相関の一例を示す図である。図５に示すように、マイクロ波のパワーが大きくなるほど、ウェハ温度が上昇している。
なお、ウェハ温度は、処理室の大きさや形状、マイクロ波の導波口の位置、ウェハの位置によって変わるものであり、ここにあげるデータのウェハ温度値は一例である。しかし、マイクロ波パワーを大きくすると、ウェハ温度が高くなるという相関関係は崩れない。

処理室２１０を形成する処理容器２１８は、例えばアルミニウム（Ａｌ）やステンレス（ＳＵＳ）など金属材料により構成されており、処理室２１０と外部とをマイクロ波的に遮蔽する構造となっている。
処理室２１０内には、ウェハ２を支持する基板支持部としての基板支持ピン２１３が設けられている。基板支持ピン２１３は、支持したウェハ２の中心と処理室２１０の中心とが垂直方向で略一致するように設けられている。基板支持ピン２１３は、例えば石英又はテフロン（登録商標）等からなる複数（本実施形態においては３本）で構成され、その上端でウェハ２を支持する。
基板支持ピン２１３の下部であってウェハ２の下方には、基板温度制御部（温度制御機構を有する）である導電性の基板支持台（基板保持台）２１２が設けられている。基板支持台２１２は、例えばアルミニウム（Ａｌ）などの導体である金属材料により構成されている。基板支持台２１２は、上面から見た形がウェハ２の外径よりも大きい円形で、円盤状又は円柱状に形成されている。

基板支持台２１２は金属製であるため、基板支持台２１２においてはマイクロ波の電位がゼロとなる。したがって、仮にウェハ２を基板支持台２１２の表面に直接置いた場合、マイクロ波の電界強度が弱い状態となる。そこで、本実施形態では、基板支持台２１２からマイクロ波の１／４波長（λ／４）の位置、もしくはλ／４の奇数倍の位置にウェハ２を載置するようにする。λ／４の奇数倍の位置では電界が強いため、ウェハ２を効率よくマイクロ波で加熱することができる。
本実施形態では、たとえば５．８ＧＨｚのマイクロ波を使用し、マイクロ波の波長が５１．７ｍｍであるので、基板支持台２１２からウェハ２までの高さを１２．９ｍｍとしている。

基板支持台２１２内には、ウェハ２を冷却するための冷媒を流す冷媒流路２３１が設けられている。本実施形態では、冷媒として水が使用されるが、この冷媒は冷却チラーなど他の冷媒を用いても良い。冷媒流路２３１は、処理室２１０の外部において、冷媒流路２３１へ冷媒を供給する冷媒供給管２３２と、冷媒流路２３１から冷媒を排出する冷媒排出管２３６に接続される。冷媒供給管２３２には、下流から順に、冷媒供給管２３２を開閉する開閉バルブ２３３、冷媒流量を制御する流量制御装置２３４、冷媒源３５が設けられている。開閉バルブ２３３と流量制御装置２３４は、後述するコントローラ３００と電気的に接続されており、コントローラ３００により制御される。

処理室２１０内のウェハ２の上方には、ウェハ２の温度を検出する温度検出器２１４および温度制御機構（図示せず）が設けられている。温度検出器２１４には、例えば、赤外線センサを用いることができる。温度検出器２１４は、コントローラ３００に電気的に接続されている。温度検出器２１４によって検出されたウェハ２の温度が、所定の温度よりも高い場合、コントローラ３００は、ウェハ２の温度が所定の温度となるように、開閉バルブ２３３と流量制御装置２３４を制御して、冷媒流路２３１へ流す冷却水の流量を調節する。逆に、ウエハ２の温度が所定の温度より低い場合は改質処理の効果を高めるために温度制御機構によりウエハ２を加熱することも可能である。

処理容器２１８の上部であって処理室２１０の上壁には、例えば窒素（Ｎ２）等のガスを導入するガス供給管２５２が設けられている。ガス供給管２５２には、上流から順に、ガス供給源２５５、ガス流量を調整する流量制御装置２５４、ガス流路を開閉するバルブ２５３が設けられており、このバルブ２５３を開閉することで、処理室２１０内にガス供給管２５２からガスが導入、又は導入停止される。ガス供給管２５２から導入される導入ガスは、ウェハ２を冷却したり、パージガスとして処理室２１０内のガスを押し出したりするのに用いられる。ガス供給管２５２には、ガスを均一に拡散する拡散器を設けるようにしてもよい。
ガス供給源２５５とガス供給管２５２と流量制御装置２５４とバルブ２５３から、ガス供給部が構成される。流量制御装置２５４とバルブ２５３は、コントローラ３００と電気的に接続されており、コントローラ３００により制御される。

図４に示すように、例えば直方体である処理容器２１８の下部であって処理室２１０の側壁には、処理室２１０内のガスを排気するガス排出管２６２が設けられている。ガス排出管２６２には、上流から順に、圧力調整バルブ２６３と、排気装置としての真空ポンプ２６４が設けられており、この圧力調整バルブ２６３の開度を調整することで、処理室２１０内の圧力が所定の値に調整される。
ガス排出管２６２と圧力調整バルブ２６３と真空ポンプ２６４から、ガス排出部が構成される。圧力調整バルブ２６３と真空ポンプ２６４は、コントローラ３００と電気的に接続されており、コントローラ３００により圧力調整制御される。

図４に示すように、処理容器２１８の一側面には、処理室２１０の内外にウェハ２を搬送するためのウェハ搬送口２７１が設けられている。ウェハ搬送口２７１には、ゲートバルブ２７２が設けられており、ゲートバルブ駆動部２７３によりゲートバルブ２７２を開けることにより、処理室２１０内と搬送室内とが連通するように構成されている。
搬送室内には、ウェハ２を搬送する搬送ロボット（不図示）が設けられている。搬送ロボットには、ウェハ２を搬送する際にウェハ２を支持する搬送アームが備えられている。ゲートバルブ２７２を開くことによって、搬送ロボットにより処理室２１０内と搬送室内との間で、ウェハ２を搬送することが可能なように構成されている。

＜コントローラ構成＞
基板処理装置システムには、制御部（制御手段）であるコントローラ３００が設けられており、このコントローラ３００は、成膜処理装置１０及び改質処理装置２００の各構成要素の動作を制御する。

具体的には、成膜処理装置１０について、コントローラ３００は、ＭＦＣ１０４ａ−１０４ｄ、１２４ａ−１２４ｄ、バルブ１０８ａ−１０８ｄ、１２８ａ−１２８ｄ、１１８ａ、１１８ｃ、１１８ｄ、１３４ｄ、気化器１０６ａ、１０６ｃ、１０６ｄ、オゾナイザ１３２、圧力センサ９２、ＡＰＣバルブ９４、ヒータ７２、温度センサ９８、真空ポンプ９６、回転機構８２、ボートエレベータ４４等に接続されている。
コントローラ３００により、ＭＦＣ１０４ａ−１０４ｄ、１２４ａ−１２４ｄによる各種ガスの流量調整動作、バルブ１０８ａ−１０８ｄ、１２８ａ−１２８ｄ、１１８ａ、１１８ｃ、１１８ｄ、１３４ｄの開閉動作、気化器１０６ａ、１０６ｃ、１０６ｄ、及びオゾナイザ１３２の制御、圧力センサ９２及びＡＰＣバルブ９４の開閉に基づく圧力調整動作、温度センサ９８に基づくヒータ７２の温度調整動作、真空ポンプ９６の起動・停止、回転機構８２の回転速度調節動作、ボートエレベータ４４の昇降動作の制御等が行われる。

改質処理装置２００について、コントローラ３００は、マイクロ波発生部２２０、ゲートバルブ駆動部２７３、搬送ロボット、流量制御装置２５４，２３４、バルブ２５３，２３３、圧力調整バルブ２６３等の各構成部の動作を制御する。

成膜処理装置１０及び改質処理装置２００それぞれに、装置を構成する各部を制御するコントローラを設けるようにしてもよい。

＜処理動作＞
次に、基板処理装置システムを用いて、半導体装置（半導体デバイス）を製造する複数の工程の中の一工程として、ウエハ２に成膜工程及び改質工程を行う処理動作について説明する。

処理動作の概略について説明する。
従来の成膜法において、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ ＤｅｐｏｓｉＴｉｏｎ）法では、形成する膜を構成する複数の元素を含む複数種類のガスを同時に供給し、また、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ ＤｅｐｏｓｉＴｉｏｎ）法では、形成する膜を構成する複数の元素を含む複数種類のガスを交互に供給する。
そして、ガス供給時のガス供給流量、ガス供給時間、プラズマパワーなどの供給条件を制御することによりシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）やシリコン酸化膜（ＳｉＯ膜）を形成する。

これらの成膜法では、例えばＳｉＮ膜を形成する場合は、膜の組成比が化学量論組成であるＮ／Ｓｉ ≒１．３３となるようにすることを目的とし、ＳｉＯ膜を形成する場合は、膜の組成比が化学量論組成であるＯ／Ｓｉ
≒ ２となるようにすることを目的として、供給条件を制御する。

一方、形成する膜の組成比が化学量論組成とは異なる所定の組成比となるようにすることを目的として、供給条件を制御することも可能である。つまり、形成する膜を構成する複数の元素のうち少なくとも一つの元素が他の元素よりも化学量論組成に対し過剰となるようにすることを目的として、供給条件を制御することもできる。
このように、形成する膜を構成する複数の元素の比率（膜の組成比）を制御しつつ成膜を行うことも可能である。

なお、「金属膜」という用語は、金属原子を含む導電性の物質で構成される膜を意味しており、これには金属単体で構成される導電性の金属単体膜の他、導電性の金属窒化膜、導電性の金属酸化膜、導電性の金属酸窒化膜、導電性の金属複合膜、導電性の金属合金膜、導電性の金属シリサイド膜等も含まれる。
例えば、チタン窒化膜は導電性の金属窒化膜である。

以下、まず、異なる種類の元素を含む複数種類のガスを交互に供給して化学両論組成を有する膜を２種類積層して形成し、その後、形成された積層膜を改質するシーケンス例について説明する。

本実施形態では、成膜処理装置１０において、基板上に金属窒化膜であるチタン窒化膜（ＴｉＮ膜）を形成（金属膜形成工程）した後、絶縁膜であるジルコニウム酸化膜（ＺｒＯ膜）を形成（絶縁膜形成工程）することで金属窒化膜と絶縁膜の積層膜を形成する。基板上には下部電極となるチタン窒化膜の上部にキャパシタ絶縁膜であるジルコニウム酸化膜が積層された構造を有することとなる。そして、積層膜が形成された基板を改質処理装置２００に導入し、マイクロ波を用いて積層膜を改質（改質工程）して薄膜の結晶成長を行う例について説明する。
以下の説明において、基板処理装置システムを構成する各部の動作は、コントローラ３００により制御される。

＜成膜処理＞
まず、基板処理装置システムの成膜処理装置１０による成膜動作（Ｓ１０）について説明する。
図６は、成膜処理装置１０による成膜動作（Ｓ１０）のフローチャートである。
図７は、成膜動作（Ｓ１０）におけるガスの供給タイミングを示す。

本実施形態においては、第１の原料ガスとしてチタン（Ｔｉ）含有ガスであるＴｉＣｌ４ガスを、窒化ガスとして窒素含有ガスであるＮＨ３ガスを、第２の原料ガスとしてジルコニウム（Ｚｒ）含有ガスであって有機金属原料ガスであるＴＥＭＡＺガスを、酸化ガスとして酸素（Ｏ）含有ガスであるＯ３ガスを用いる。
また、不活性ガスとしてＮ２ガスを用いる。

（搬入工程）
（ステップ１０２）
まず、複数枚のウエハ２がボート３８に装填（ウエハチャージ）される。

（ステップ１０４）
複数枚のウエハ２を支持したボート３８が、ボートエレベータ４４によって持ち上げられて処理室８０内に搬入（ボートロード）される。
この状態で、シールキャップ４８はＯリング７６を介して反応管７４の下端をシールした状態となる。

（ステップ１０６）
処理室８０内が所望の圧力（真空度）となるように真空ポンプ９６によって真空排気される。この際、処理室８０内の圧力が圧力センサ９２で測定され、この測定された圧力に基づいてＡＰＣバルブ９４がフィードバック制御される（圧力調整）。

また、処理室８０内が所望の温度となるようにヒータ７２によって加熱される。この際、処理室８０内が所望の温度分布となるように、温度センサ９８が検出した温度情報に基づきヒータ７２への通電具合がフィードバック制御される（温度調整）。

続いて、回転機構８２により、ボート３８が回転されることでウエハ２が回転される。

（金属膜形成工程）
次に、ＴｉＣｌ_４ガスとＮＨ_３ガスを処理室８０内に供給することにより金属膜であるチタン窒化膜を成膜する金属膜形成工程を行う。金属膜形成工程では次の４つのステップを順次実行する。

（ステップ１１０）
ステップ１１０では、第１の原料ガスとしてＴｉＣｌ_４ガスを処理室８０に供給する（第１の工程）。
ガス供給管１０２ａのバルブ１０８ａを開き、ベントライン１１０ａのバルブ１１８ａを閉じることで、気化器１０６ａを介してガス供給管１０２ａ内にＴｉＣｌ_４ガスを流す。 ガス供給管１０２ａ内を流れたＴｉＣｌ_４ガスは、ＭＦＣ１０４ａにより流量調整される。
流量調整されたＴｉＣｌ_４ガスはノズル１００ａのガス供給孔１３０ａから処理室８０内に供給されつつ排気管９０から排気される。

このとき、バルブ１２８ａを開き、不活性ガス供給管１２２ａ内にＮ_２ガスを流す。不活性ガス供給管１２２ａ内を流れたＮ_２ガスは、ＭＦＣ１２４ａにより流量調整される。流量調整されたＮ_２ガスは、ＴｉＣｌ_４ガスと合流し、処理室８０内に供給されつつ排気管９０から排気される。

この際、ＡＰＣバルブ９４を適正に調整して処理室８０内の圧力を、例えば４０ 〜 ９００ Ｐａの範囲の圧力とする。
ＭＦＣ１０４ａで制御するＴｉＣｌ_４ガスの供給流量は、例えば０．０．５ 〜 ０．３ ｇ／ｍｉｎ．の範囲の流量とする。
ＴｉＣｌ_４ガスにウエハ２を晒す時間、すなわちガス供給時間（照射時間）は、例えば１５ 〜 １２０秒間の範囲の時間とする。
ヒータ７２の温度は、ウエハ２の温度（成膜処理温度）が、例えば３００ 〜 ５５０ ℃の範囲の温度となるように設定する。

ＴｉＣｌ_４ガスの供給により、ウエハ２表面の下地膜上にチタンを含む第１の層が形成される。すなわち、ウエハ２上（下地膜上）に１原子層未満から数原子層のチタン含有層としてのチタン層（Ｔｉ層）が形成される。チタン含有層は、ＴｉＣｌ_４の化学吸着（表面吸着）層であってもよい。なお、チタンは、それ単独で固体となる元素である。

チタン層とは、チタンにより構成される連続的な層の他、不連続な層やこれらが重なってできる薄膜をも含む。チタンにより構成される連続的な層を、「薄膜」と称する場合がある。
また、ＴｉＣｌ_４の化学吸着層とは、ＴｉＣｌ_４分子の連続的な化学吸着層の他、不連続な化学吸着層をも含む。

ウエハ２上に形成されるチタン含有層の厚さが数原子層を超えると、後述するステップ１１４における窒化の作用がチタン含有層の全体に届かなくなる。また、ウエハ２上に形成可能なチタン含有層の最小値は１原子層未満である。
よって、チタン含有層の厚さは１原子層未満から数原子層とするのが好ましい。

成膜処理温度及び処理室８０内の圧力等の条件を調整することにより、ウエハ２上に形成される層の状態を調整することができる。
具体的には、ＴｉＣｌ_４ガスが自己分解する条件とすると、ウエハ２上にチタンが堆積してチタン層が形成される。一方、ＴｉＣｌ_４ガスが自己分解しない条件とすると、ウエハ２上にＴｉＣｌ_４が化学吸着してＴｉＣｌ_４ガスの化学吸着層が形成される。

ウエハ２上にチタン層を形成する場合、ウエハ２上にＴｉＣｌ_４の化学吸着層を形成する場合と比較して、成膜レート（成膜速度）を高くすることができる。
また、ウエハ２上にチタン層を形成する場合、ウエハ２上にＴｉＣｌ_４の化学吸着層を形成する場合と比較して、より緻密な層を形成することができる。

（ステップ１１２）
ステップ１２では、処理室８０内に残留するガスを除去する（第２の工程）。
チタン含有層が形成された後、バルブ１０８ａを閉じバルブ１１８ａを開けて、処理室内へのＴｉＣｌ_４ガスの供給を停止し、ＴｉＣｌ_４ガスをベントライン１１０ａへ流す。

このとき、排気管９０のＡＰＣバルブ９４は開いたままとして、真空ポンプ９６により処理室８０内を真空排気し、処理室８０内に残留する未反応又はチタン含有層形成に寄与した後のＴｉＣｌ_４ガスを処理室８０内から排除する。この際、バルブ１２８ａは開いたままとして、Ｎ_２ガスの処理室８０内への供給を維持する。
これにより、処理室８０内に残留する未反応又はチタン含有層形成に寄与した後のＴｉＣｌ_４ガスを処理室８０内から排除する効果が高まる。

（ステップ１１４）
ステップ１１４では、窒化ガスとしてＮＨ３ガスを処理室８０に供給する（第３の工程） 処理室８０内の残留ガスを除去した後、ガス供給管１０２ｂのバルブ１０８ｂを開き、ガス供給管１０２ｂ内にＮＨ３ガスを流す。
ガス供給管１０２ｂ内を流れたＮＨ_３ガスは、ＭＦＣ１０４ｂにより流量調整される。流量調整されたＮＨ_３ガスは、ノズル１００ｂのガス供給孔１３０ｂから処理室８０内に供給されつつ排気管９０から排気される。

このとき、バルブ１２８ｂを開き、不活性ガス供給管１２２ｂ内にＮ_２ガスを流す。不活性ガス供給管１２２ｂ内を流れたＮ_２ガスは、ＭＦＣ１２４ｂにより流量調整される。流量調整されたＮ_２ガスは、ＮＨ_３ガスと合流し、処理室８０内に供給されつつ排気管９０から排気される。

ＮＨ_３ガスを流すときは、処理室８０内の圧力を、例えば４０ 〜 ９００ Ｐａの範囲の圧力とする。
ＭＦＣ１０４ｂで制御するＮＨ_３ガスの供給流量は、例えば６ 〜 １５ ｓｌｍの範囲の流量とする。
ＮＨ_３ガスにウエハ２を晒す時間、すなわちガス供給時間（照射時間）は、例えば１５ 〜 １２０秒間の範囲の時間とする。
ヒータ７２の温度は、ステップ１１０と同様に、ウエハ２の温度が３００ 〜 ５５０ ℃の範囲の温度となるように設定する。

このとき、処理室８０内に供給されているガスはＮＨ_３ガスであり、処理室８０内にＴｉＣｌ_４ガスは供給されていない。したがってＮＨ_３ガスは、気相反応を起こすことはなく、ステップ１１０でウエハ２上に形成された第１の層としてのチタン含有層の一部と反応する。
これにより、チタン含有層は窒化されて、チタン及び窒素を含む第２の層、すなわち、チタン窒化層（ＴｉN層）が形成される。

（ステップ１１６）
ステップ１１６では、処理室８０内に残留するガスを除去する（第４の工程）。
ガス供給管１０２ｂのバルブ１０８ｂを閉じて、ＮＨ_３ガスの供給を停止する。

このとき、排気管９０のＡＰＣバルブ９４は開いたままとして、真空ポンプ９６により処理室８０内を真空排気し、処理室８０内に残留する未反応又は窒化に寄与した後のＮＨ_３ガスを処理室８０内から排除する。この際、バルブ１２８ｂは開いたままとして、Ｎ_２ガスの処理室８０内への供給を維持する。
これにより、処理室８０内に残留する未反応又は窒化に寄与した後のＮＨ_３ガスを処理室８０内から排除する効果が高まる。

（ステップ１１８）
ステップ１１８では、ステップ１１０〜１１６を１サイクルとして、このサイクルを所定回数行ったかを判定する。所定回数行っている場合は、ステップ１２０の処理に進み、所定回数行っていない場合は、ステップ１１０の処理に進む。

このように、ステップ１１０〜１１６のサイクルを少なくとも１回以上行うことにより、ウエハ２上に所定膜厚のチタンおよび窒素を含むチタン窒化膜を形成することができる。
ステップ１１０〜１１６のサイクルは、複数回繰り返すのが好ましい。

（絶縁膜形成工程）
次に、ＴＥＭＡＺガスとＯ_３ガスを処理室８０内に供給することにより絶縁膜であるジルコニウム酸化膜を成膜する絶縁膜形成工程を行う。絶縁膜形成工程では次の４つのステップを順次実行する。

（ステップ１２０）
ステップ１２０では、第２の原料としてＴＥＭＡＺガスを処理室８０に供給する（第５の工程）。
ガス供給管１０２ｃのバルブ１０８ｃを開き、ベントライン１１０ｃのバルブ１０８ｃを閉じることで、気化器１０６ｃを介してガス供給管１０２ｃ内にＴＥＭＡＺガスを流す。
ガス供給管１０２ｃ内を流れたＴＥＭＡＺガスは、ＭＦＣ１０４ｃにより流量調整される。流量調整されたＴＥＭＡＺガスはノズル１００ｃのガス供給孔１３０ｃから処理室８０内に供給されつつ排気管９０から排気される。

このとき、バルブ１２８ｃを開き、不活性ガス供給管１２２ｃ内にＮ_２ガスを流す。不活性ガス供給管１２２ｇ内を流れたＮ_２ガスは、ＭＦＣ１２４ｃにより流量調整される。流量調整されたＮ_２ガスは、ＴＥＭＡＺガスと合流し、処理室８０内に供給されつつ排気管９０から排気される。

ＴＥＭＡＺガスを流すときは、処理室８０内の圧力を、例えば５０ 〜 ４００ Ｐａの範囲の圧力とする。
ＭＦＣ１０４ｃで制御するＴＥＭＡＺガスの供給流量は、例えば０．１ 〜 ０．５ ｇ／ｍｉｎ．の範囲の流量とする。
ＴＥＭＡＺガスにウエハ２を晒す時間、すなわちガス供給時間（照射時間）は、例えば３０ 〜 ２４０秒間の範囲内の時間とする。
ヒータ７２の温度は、ウエハ２の温度（成膜処理温度）が、例えば１５０ 〜 ２５０ ℃の範囲内の温度となるように設定する。

ＴＥＭＡＺガスの供給により、ウエハ２表面の下地膜上にジルコニウムを含む第３の層が形成される。すなわち、ウエハ２上（下地膜上）に１原子層未満から数原子層のジルコニウム含有層としてのジルコニウム層（Ｚｒ層）が形成される。ジルコニウム含有層はＴＥＭＡＺの化学吸着（表面吸着）層であってもよい。なお、ジルコニウムは、それ単独で固体となる元素である。

ジルコニウム層とは、ジルコニウムにより構成される連続的な層の他、不連続な層やこれらが重なってできる薄膜をも含む。ジルコニウムにより構成される連続的な層を、「薄膜」と称する場合がある。
また、ＴＥＭＡＺの化学吸着層とはＴＥＭＡＺ分子の連続的な化学吸着層の他、不連続な化学吸着層をも含む。

ウエハ２上に形成されるジルコニウム含有層の厚さが数原子層を超えると、後述するステップ１２４での酸化の作用がジルコニウム含有層の全体に届かなくなる。また、ウエハ２上に形成可能なジルコニウム含有層の最小値は１原子層未満である。
よって、ジルコニウム含有層の厚さは１原子層未満から数原子層とするのが好ましい。

成膜処理温度及び処理室８０内の圧力等の条件を調整することにより、ウエハ２上に形成される層の状態を調整することができる。
具体的には、ＴＥＭＡＺガスが自己分解する条件とすると、ウエハ２上にジルコニウムが堆積してジルコニウム層が形成される。一方、ＴＥＭＡＺガスが自己分解しない条件とすると、ウエハ２上にＴＥＭＡＺが化学吸着してＴＥＭＡＺガスの化学吸着層が形成される。

ウエハ２上にジルコニウム層を形成する場合、ウエハ２上にＴＥＭＡＺの化学吸着層を形成する場合と比較して、成膜レートを高くすることができる。
また、ウエハ２上にジルコニウム層を形成する場合、ウエハ２上にＴＥＭＡＺの化学吸着層を形成する場合と比較して、より緻密な層を形成することができる。

（ステップ１２２）
ステップ１２２では、処理室８０内に残留するガスを除去する（第６の工程）。
ジルコニウム含有層が形成された後、バルブ１０８ｃを閉じバルブ１１８ｃを開けて、処理室内へのＴＥＭＡＺガスの供給を停止し、ＴＥＭＡＺガスをベントライン１１０ｃへ流す。

このとき、排気管９０のＡＰＣバルブ９４は開いたままとして、真空ポンプ９６により処理室８０内を真空排気し、処理室８０内に残留する未反応又はジルコニウム含有層形成に寄与した後のＴＥＭＡＺガスを処理室８０内から排除する。この際、バルブ１２８ｃは開いたままとして、Ｎ_２ガスの処理室８０内への供給を維持する。
これにより、処理室８０内に残留する未反応又はジルコニウム含有層形成に寄与した後のＴＥＭＡＺガスを処理室８０内から排除する効果が高まる。

（ステップ１２４）
ステップ１２４では、酸化ガスとしてＯ_３ガスを処理室８０に供給する（第７の工程）。
処理室８０内の残留ガスを除去した後、ガス供給管１０２ｄ内にＯ_２ガスを流す。ガス供給管１０２ｄ内を流れたＯ_２ガスは、オゾナイザ１３２によりＯ３ガスとなる。

ガス供給管１０２ｄのバルブ１３４ｄ及びバルブ１０８ｄを開き、ベントライン１１０ｄのバルブ１１８ｄを閉めることで、オゾナイザ１３２で生成されたＯ_３ガスは、ＭＦＣ１０６ｄにより流量調整される。流量調整されたＯ_３ガスは、ノズル１００ｄのガス供給孔１３０ｄから処理室８０内に供給されつつ排気管９０から排気される。

このとき、バルブ１２８ｄを開き、不活性ガス供給管１２２ｄ内にＮ_２ガスを流す。不活性ガス供給管１２２ｂ内を流れたＮ_２ガスは、ＭＦＣ１２４ｄにより流量調整される。流量調整されたＮ_２ガスは、Ｏ_３ガスと合流し、処理室８０内に供給されつつ排気管９０から排気される。

Ｏ_３ガスを流すときは、処理室８０内の圧力を、例えば５０ 〜 ４００Ｐａの範囲の圧力とする。
ＭＦＣ１０４ｄで制御するＯ_３ガスの供給流量は、例えば１０ 〜 ２０ ｓｌｍの範囲の流量とする。
Ｏ_３ガスにウエハ２を晒す時間、すなわちガス供給時間（照射時間）は、例えば６０ 〜 ３００秒間の範囲の時間とする。
ヒータ７２の温度は、ステップ１２０と同様、ウエハ２の温度が１５０ 〜 2５０
℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。

このとき、処理室８０内に供給されているガスはＯ_３ガスであり、処理室８０内にＴＥＭＡＺガスは供給されていない。したがってＯ_３ガスは、気相反応を起こすことはなく、ステップ１２０でウエハ２上に形成された第３の層としてのジルコニウム含有層の一部と反応する。
これによりジルコニウム含有層は酸化されて、ジルコニウム及び酸素を含む第４の層、すなわち、ジルコニウム酸化層（ＺｒＯ_２層）が形成される。

（ステップ１２６）
ステップ１２６では、処理室８０内に残留するガスを除去する（第８の工程）。
ガス供給管１０２ｄのバルブ１０８ｄを閉じバルブ１１８ｄを開けて、処理室８０内へのＯ_３ガスの供給を停止し、Ｏ_３ガスをベントライン１１０ｄへ流す。

このとき、排気管９０のＡＰＣバルブ９４は開いたままとして、真空ポンプ９６により処理室８０内を真空排気し、処理室８０内に残留する未反応又は酸化に寄与した後のＯ_３ガスを処理室８０内から排除する。この際、バルブ１２８ｄは開いたままとして、Ｎ_２ガスの処理室８０内への供給を維持する。
Ｎ_２ガスはパージガスとして作用し、処理室８０内に残留するガスが処理室８０内から除去される（パージ）。
これにより、処理室８０内に残留する未反応又は酸化に寄与した後のＯ_３ガスを処理室８０内から排除する効果が高まる。

（ステップ１２８）
ステップ１２８では、ステップ１２０〜１２６を１サイクルとして、このサイクルを所定回数行ったかを判定する。所定回数行っている場合は、ステップ１３２の処理に進み、所定回数行っていない場合は、ステップ１２０の処理に進む。

このように、ステップ１２０〜１２６のサイクルを少なくとも１回以上行うことにより、ウエハ２上に所定膜厚のジルコニウムおよび酸素を含むジルコニウム酸化膜を形成することができる。
ステップ１１０〜１１６のサイクルは、複数回繰り返すのが好ましい。

（搬出工程）
（ステップ１３２）
絶縁膜形成工程が終了すると、内部の雰囲気がＮ２ガスに置換された処理室８０内は、圧力が常圧に復帰される（大気圧復帰）。

（ステップ１３４）
その後、ボートエレベータ４４によりシールキャップ４８が下降されて、反応管７４の下端が開口されるとともに、処理済のウエハ２がボート３８に保持された状態で反応管７４の下端から外部に搬出（ボートアンロード）される。

（ステップ１３６）
続いて、処理済みのウエハ２は、ウエハ移載装置３６ａによってボート３８から取り出される（ウエハディスチャージ）。
なお、ここでは同一の基板処理装置システムの成膜処理装置１０を用いてチタン窒化膜およびジルコニア酸化膜の成膜を行ったが、成膜処理装置１０に準ずる構成の別々のチタン窒化膜成膜装置およびジルコニア酸化膜成膜装置を用いて積層膜の成膜を行う事も出来る。

＜改質処理＞
次に、基板処理装置システムの改質処理装置２００による改質動作（Ｓ２０）について説明する。
図８は、改質処理装置２００による改質動作（Ｓ２０）のフローチャートである。

（基板搬入工程）
（ステップ２０２）
ジルコニウム酸化膜が形成されたウェハ２を処理室２１０に搬入する基板搬入工程において、まず、ゲートバルブ２７２を開き、処理室２１０と搬送室とを連通させる。次に、処理対象のウェハ２を、搬送ロボットにより、搬送室内から処理室２１０内へ搬入する（ウエハチャージ）。

（ステップ２０４）
処理室２１０内に搬入されたウェハ２は、搬送ロボットにより基板支持ピン２１３の上端に載置され、基板支持ピン２１３に支持される。次に、搬送ロボットが処理室２１０内から搬送室内へ戻ると、ゲートバルブ２７２が閉じられる（ウエハ載置）。

（ステップ２０６）
処理室２１６内が所望の圧力（真空度）となるように真空ポンプ（非図示）によって真空排気される。基板を搬入すると処理室の外の大気雰囲気が巻き込まれる。この大気雰囲気中の水分や酸素がプロセスに影響しないように処理室内を十分に排気する。この際、処理室２１６内の圧力が圧力センサ（非図示）で測定され、この測定された圧力に基づいて圧力調整バルブ２６３がフィードバック制御される（圧力調整）。

（ステップ２０８）
次に、処理室２１０内を窒素（Ｎ２）雰囲気に置換する。好適には１００％のＮ_２ガスとする。ガス排出管２６２から、真空ポンプ２６４により処理室２１０内のガス（雰囲気）を排出するとともに、ガス供給管２５２から、Ｎ２ガスを処理室２１０内に導入する（置換）。このとき、圧力調整バルブ２６３により処理室２１０内の圧力を２００Ｐａ〜２００，０００Ｐａの中の所定の値であって、例えば大気圧に調整する。

（改質工程）
（ステップ２１０）
次に、マイクロ波発生部２２０で発生させたマイクロ波を、導波口２２２から処理室２１０内に導入し、ウェハ２の表面側から照射する。このマイクロ波照射により、ウェハ２表面上のジルコニウム酸化膜を１００〜４５０℃であって、例えば４００℃に加熱し、ジルコニウム酸化膜の改質処理、つまり、ジルコニウム酸化膜からＣやＨ等の不純物を離脱させて、緻密化し安定した絶縁体薄膜に改質する処理を行う。なお、ウエハ２の最適な加熱温度は、ウエハ２の表面上に形成された膜腫によって異なる。また、下地、配線構造などによっても異なる。
ジルコニウム酸化膜を含むＨｉｇｈ−ｋ膜等の誘電体は、誘電率に応じてマイクロ波の吸収率が異なる。誘電率が高いほどマイクロ波を吸収しやすい。我々の研究によれば、ハイパワーのマイクロ波をウェハに照射し処理すると、ウェハ上の誘電体膜が加熱され改質されることがわかった。また、マイクロ波による加熱の特徴は、誘電率εと誘電正接ｔａｎδによる誘電加熱で、この物性値が異なる物質を同時に加熱すると、加熱されやすい物質、すなわち、誘電率が高い方の物質だけ選択的により高温に加熱できることが分かった。

Ｈｉｇｈ−ｋ膜のアニールについて説明すると、ウェハの基板材料であるシリコンに比べ、Ｈｉｇｈ−ｋ膜は誘電率εが高い。例えば、シリコンの比誘電率ε_rは３．９であるが、Ｈｉｇｈ−ｋ膜であるＨｆＯ膜の比誘電率ε_rは２５、ＺｒＯ膜の比誘電率ε_rは３５である。よって、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を成膜したウェハにマイクロ波を照射すると、Ｈｉｇｈ−ｋ膜が選択的により高温に加熱される。なお、シリコンとHigh-k膜の温度差は熱伝達により緩和させる事は言うまでも無い。
我々の研究によると、ハイパワーのマイクロ波を照射する方が膜の改質効果が大きい。ハイパワーのマイクロ波を照射すると、急速にＨｉｇｈ−ｋ膜の温度を上昇させることができる。しかし、ハイパワーの比較的低パワーのマイクロ波をでも長時間照射すると、改質プロセス中にウェハ全体の温度が高くなってしまう。時間が経過すると、シリコン自身がマイクロ波により誘電加熱されることと、Ｈｉｇｈ−ｋ膜からシリコンへの熱伝導により、シリコンの温度も上昇してしまうからである。これはハイパワーのマイクロ波を照射することにより、ウェハが温度上昇し上限温度に達するまでの時間に、誘電体を誘電加熱により高い温度まで加熱することができるためと考えられる。例えば、ＨｆＯ膜の場合、改質時のウエハ温度を約４００℃としたとしても、下地の温度はさらに上昇してしまうため、冷却して温度上昇を抑える必要がある。

そこで、本実施形態では、マイクロ波を照射中に、冷却流路１３に冷却水を供給しておくことで、ウェハ２の温度上昇を抑制する。好ましくは、ウェハ２の温度が所定の温度となるように、開閉バルブ２３３と流量制御装置２３４を制御して、冷媒流路２３１へ流す冷却水の流量を調節する。このように、ウェハ２の処理温度を一定とすることにより、複数のウェハを処理した際のプロセス結果の再現性を向上することができる。

また、加熱処理工程において、制御部３００はバルブ２５３を開いて、処理室２１０内にガス供給管２５２からＮ２ガスを導入するとともに、圧力調整バルブ２６３により処理室２１０内の圧力を所定の値、本実施形態では大気圧に調整しつつ、ガス排出管２６２から処理室２１０内のＮ２ガスを排出する。このようにして、改質工程において、処理室２１０内を所定の圧力値に維持する。本例では、周波数０．５〜３００ＧＨｚのマイクロ波であって、好ましくは１．０〜５０ＧＨｚ、より好ましくは５．８〜７．０ＧＨｚであって例えば５．８ＧＨｚのマイクロ波を、１００Ｗ〜２，０００Ｗのパワーであって例えば１６００Ｗのパワーで、ウェハ２の温度４００℃、処理室２１０内の圧力を大気圧として５分間、加熱処理を行った。なお、処理室２１０内に導入するＮ２ガスの流量を制御することで、ウェハ２の冷却を助長することもできる。
積極的にＮ_２ガスの冷却効果を使う場合は、ガス供給管２５２を基板冷却台に設け、基板と基板冷却台の間にガスを流すことにより、ガスによる冷却効果向上を期待することもできる。このガスの流量を制御することにより基板の温度制御を行うこともできる。
また本実施例ではＮ_２ガスを使用しているが、プロセス的な問題または安全性等に支障がなければ、熱伝達率の高い他のガス、たとえば希釈Ｈｅガスなどを追加することにより、基板の冷却効果を向上させることも可能である。

このようにして、ウエハ２上に形成されたジルコニウム酸化膜について、このジルコニウム酸化膜を構成する双極子を振動又は回転によって励起することにより、結晶成長及び酸素欠損これらの修復や含有する不純物（有機物等）の除去等の改質がなされる。

なお、ジルコニウム酸化膜のようなＨｉｇｈ−ｋ膜の場合、マイクロ波領域に効率的にエネルギーを吸収し、加熱に利用できる周波数帯域が存在する。これは、マイクロ波による電界を受けた際に発生し、高い誘電率の原因ともなっている分極現象のうち、配向分極による誘電分散のピークが存在する事、および結晶化によってイオン分極の共鳴型のピークが通常の赤外領域ではなくより低い周波数帯域に変化するためである。上記の理由により、特にＨｉｇｈ−ｋ膜においてはマイクロ波の周波数を好適に選択する事により、効率よく加熱を行う事が可能となる。

例えば、配向分極による誘電分散のピークは比較的ブロードな分散を示すため、数ＧＨｚのマイクロ波を使用すれば、Ｈｉｇｈ−ｋ膜のように配向分極が容易な（すなわち分極が大きな）材料を、比較的容易に選択的に加熱することが可能となる。また、特にいわゆるミリ波近傍以上の、より高いマイクロ波領域を用いた場合には、Ｈｉｇｈ−ｋ膜のイオン分極の共鳴による加熱効果を有効に活用する事も期待できる。

更に、より効率的にＨｉｇｈ−ｋ膜の加熱を実現しようとした場合は、以下の指針に従って好適な周波数帯を決定する事が有効である。すなわち、事前に当該Ｈｉｇｈ−ｋ膜の誘電緩和の周波数特性を測定することである。まずＨｉｇｈ−ｋ膜の交流電場・電磁場における誘電緩和の虚数項を測定する。すると対象となるＨｉｇｈ−ｋ膜に特有のピークが得られる。このピークの周波数の１／２以上の周波数のマイクロ波を用いる事が本応用には有効である。

ここで、マイクロ波の吸収率は、例えば、分布が急峻なＤｅｂｙｅ型緩和を仮定した場合、上記ピークの位置で飽和値の約半分、１／２の周波数でさらにその約半分となる事から、効率の良い加熱を考えた場合はピークの周波数の１／２以上の周波数のマイクロ波を用いる事が妥当であるといえる。また、Ｈｉｇｈ−ｋ膜の緩和のピークは温度上昇とともに高周波側にシフトする傾向があるので、加熱時に温度上昇後の効率を高くとりたい場合は、少なくとも室温でのピーク周波数以上、望ましくは１０倍程度以上を選択するのが有効である。また、高温での過加熱を防止したい場合は、逆にピーク周波数より低い周波数を選択し、温度上昇後の加熱効率を上昇前よりも低くするのが有効である。なお、上記にはＤｅｂｙｅ型緩和を前提に説明したが、本指針はＤｅｂｙｅ型緩和に限らず、他の型の誘電緩和や共鳴型のあるいは振動子型の分散現象にも有効である事は言うまでも無い。

以上のようにして、所定時間、マイクロ波を導入して改質処理を行った後、マイクロ波の導入を停止する（マイクロ波導入）。
なお、本実施形態では、ウェハ２を水平方向に回転させることなく加熱処理を行っているが、ウェハ２を回転させながら加熱処理を行ってもよい。

（搬出工程）
（ステップ２１２）
改質工程の終了後、処理室２１０内の圧力を大気圧に復帰する（大気圧復帰）。

（ステップ２１８）
ゲートバルブ２７２を開き、処理室２１０と搬送室とを連通させる。そして、搬送ロボットにより処理室２１０内の基板支持台２１２から搬送室２７０へ処理済みのウエハ２を搬出する（ウエハディスチャージ）。

なお、本実施形態では改質処理中の圧力を大気圧に設定したが、改質処理を減圧下で行う場合は、処理室２１０に例えばＮ２ガス等を導入して処理室２１０内の圧力を大気圧に戻した後、ウエハ２を搬出する。また、処理室に隣接して隔壁を介してロードロック室を設置することにより、大気圧に戻すことなくウエハを交換し、連続的に処理を実施することも可能である。さらに、減圧下での処理でない場合も処理室に隣接して隔壁を介してロードロック室を設置することにより、外部からの大気成分や不純物の混入を抑制することができる。その際には搬送時の処理室内の圧力をロードロック室よりも高く設定すると効果的である。

また、本実施形態では、処理環境が１気圧以下の場合には真空ポンプを使用して処理室２１０内を減圧に保持することを想定しているが、処理環境が１気圧以上の場合は、特にポンプは必須ではない。また、処理前の排気においても、ポンプを使用した強制的な排気のほかに、例えば窒素ガスでパージすることなど、様々な方法が適用可能である。

また、本実施形態では、一度に１枚の基板を処理する枚葉装置を例に説明したが、これに限らず、複数の基板を１度に処理するバッチ式装置や複数の基板を積層して１度に処理するバッチ式縦型装置等にも適用可能である。バッチ式装置においては、マイクロ波のパワー（電力）は、１枚の基板を処理する場合と比較して、ウエハ枚数を乗じたパワーを供給してもよい。

また、本実施形態では、改質処理中にウエハ２を冷却する例について記載したが、改質処理後にウエハ２を冷却してもよい。冷却する理由は、膜の結晶性を制御するためである。ウエハ温度を下げている間も結晶の成長は進んでいるため、できるだけ急速に冷却することにより、結晶成長を抑制して結晶状態をクエンチし、所望の結晶構造を得ることが可能となる。従って、例えばウエハ２が所定の温度となるまで冷却するとよい。

ウエハ２の冷却は、ウエハ２を処理室２１０から搬出（縦型装置の場合はボートダウンを含む）してから不活性ガスにより冷却を行ってもよい。また、処理室２１０内にウエハ２を収容したままマイクロ波を停止し、所定時間だけ不活性ガスを処理室２１０内、望ましくはウエハ裏面へ供給することによってウエハ２を冷却し、ウエハ２が所定温度となったら搬出してもよい。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る基板処理装置システムについて、図９を用いて説明する。図９は、本発明の第２の実施形態に係る基板処理装置システムに含まれる改質処理装置の垂直断面図である。
第２の実施形態においては、改質処理装置により、マイクロ波発生部２２０にてマイクロ波の周波数を可変（時間と共に変化）させて改質処理を行う。その他の点については第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

薄膜の励起に好適な周波数を選択した場合、その周波数が一意に決定された場合、壁面との干渉効果によって定在波が発生し、場所によって局所的な有効電力に差が発生する。周波数が二周波あるいは三周波といった離散的な複数の値を取った場合には、定在波による有効電力のばらつきは多少緩和される。しかし、本質的には同様の問題が発生する。一方で周波数をある幅を持って可変させる場合であって、可変させる周波数帯をかつ対象となる分極膜の双極子が感応する周波数帯域に設定した場合には、分極膜の共振周波数が比較的広域でゆるやかな分布を持つ場合には、定在波の位置が異なる広い周波数帯域でマイクロ波のエネルギーが対象となる分極膜に吸収されるため、有効電力の位置依存性とそれによる改質効果のばらつきは大幅に軽減されることとなる。

尚、マイクロ波の周波数を可変させて用いる場合、基板冷却台２１２からウェハ２までの高さは、変化する周波数帯の代表周波数の波長から求めれば良い。たとえば５．８ＧＨｚ〜７．０ＧＨｚまで変化する場合、代表周波数を変化する周波数帯のセンタ周波数とし、代表周波数６．４ＧＨｚの波長４６ｍｍより、基板支持台２１２の表面からウェハ２までの高さを１１５ｍｍとすればよい。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る基板処理装置システムについて、図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の第３の実施形態に係る基板処理装置システムに含まれる改質処理装置の垂直断面図である。
第３の実施形態においては、改質処理装置には、基板と処理室内壁との相対的な位置関係が変更できるような機構が搭載されている。その他の点については第１の実施形態もしくは第２の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

薄膜の励起に好適な周波数を選択した場合、その周波数が一意に決定されたとき、壁面との干渉効果によって定在波が発生し、場所によって局所的な有効電力に差が発生する。この効果は対象となる分極膜の双極子が感応する共振周波数が急峻な分布を持つ場合には特に顕著であり、マイクロ波の周波数を可変としても十分な効果が得られない場合がある。これを改善するため、本実施形態においてはウエハと壁の相対的な位置関係が変更できるような機構が搭載されている。

また、導波口２２２から発射されたマイクロ波は処理室２１０の壁面に当たる毎にエネルギーが減衰する。基板を処理する場合、高いエネルギーのマイクロ波を基板に当てることで、急速加熱することができる。我々の研究では、反射波が支配的な状態でウェハを処理した場合と、ウェハに直接マイクロ波を照射した場合とでは、後者の方が基板の改質効果が高いと言う結果が出ている。

しかしウェハに直接マイクロ波を照射する場合、ウェハの面積に比べ、導波口の大きさは小さく、またマイクロ波は導波口から発射された後あまり広がらないため、ウェハの表面に照射されるマイクロ波のエネルギーを均一にすることは容易でない。またウェハにマイクロ波を直接照射すると言っても、その全てのエネルギーがウェハに吸収されるわけではなく、一部がウェハ表面で反射したり、一部がウェハを透過したりする。これが反射波となり処理室内に定在波が発生する。処理室内で定在波が発生すると、ウェハ面内においてよく加熱される部分と、あまり加熱されない部分が生じる。これがウェハの加熱ムラとなり、膜質のウェハ面内均一性を悪くする原因となる。

そこで、本実施形態においては、導波口２２２を処理室２１０の上壁に設け、導波口２２２と基板支持ピン２１３で支持されたウェハ２の表面との間の距離を、供給されるマイクロ波の１波長よりも短い距離としている。本例では、使用するマイクロ波の周波数を５．８ＧＨｚとし、そのマイクロ波の波長５１．７ｍｍよりも短い距離としている。導波口から１波長分の距離の範囲では、導波口から発射された直接波が支配的であると考えられる。上記のようにすると、基板に照射されるマイクロ波は、導波口２２２から直接発射された直接波が支配的となり、処理室内の定在波の影響を小さくすることができ、導波口２２２の近辺のウェハを急速加熱することができる。
しかしこの方法だけでは導波口２２２の付近のウェハ２の一部だけが加熱されることになり、ウェハ面内均一性は悪くなる。

そこで、本実施形態においては、導波口２２２の中心位置は、基板支持ピン２１３で支持されたウェハ２の中心位置から偏心し、導波口２２２が基板支持ピン２１３で支持されたウェハ２の表面に対向している。本例では、ウェハ２の直径は３００ｍｍ、導波口２２２の中心位置とウェハ２の中心位置までの距離を９０ｍｍとしている。このように、導波口２２２をウェハ２の中心位置から偏心させ、さらに後述の回転駆動部３３２によりウェハ２を回転させることで、ウェハ面を導波口２２２が走査するようにする。これにより、ウェハ２をより均一に加熱することができる。

基板支持台２１２は、ステンレス（ＳＵＳ）等の金属製の回転軸３３１で支えられ、回転軸３３１は、回転駆動部３３２により、水平方向に回転する。したがって、回転駆動部３３２により、回転軸３３１、基板支持台２１２、ウェハ２を、水平方向に回転することができる。回転駆動部３３２は、制御部３００と電気的に接続されており、制御部３００により制御される。

これはウェハ面からみると、導波口２２２付近に滞在する時間はマイクロ波によって急速に加熱されるが、導波口２２付近から離れると、加熱されにくくウェハ温度は下がる。このようにウエハ２を回転することで、ウェハ全体の温度上昇を抑えることができる。さらに好ましくは、マイクロ波を照射中に、ウェハ２を冷却することで、ウェハ２の温度上昇を抑制するのがよい。ウェハ２を冷却するには、例えば、処理室２１０内を通過するＮ_２ガス量を増加させる、あるいは、基板支持台２１２内に冷媒を循環させる冷却流路を設けるようにすればよい。

また、図１０は導波口２２２をウエハ２の中心位置から偏芯させているが、図１１（ａ）のように、導波口２２２をウエハ２の中心位置と対向する位置に設け、回転軸３３１を基板支持台２１２の中心位置から離れた位置に設けてもよい。
あるいは、図１１（ｂ）のように、導波口２２２を基板支持台２１２の中心位置と対向する位置に設けると共に、ウエハ２の中心位置と基板支持台２１２の中心位置が一致しないようウエハ２を基板支持台の端の位置に載置するようにしてもよい。
図１１（ａ）および図１１（ｂ）のような形態では、ウエハ２を回転させることにより、図１１（ｃ）のように導波口２２２をウエハ２の回転中心から偏芯させることができる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係る基板処理装置システムについて、図１２を用いて説明する。図１２は、本発明の第４の実施形態に係る基板処理装置システムに含まれる改質処理装置の垂直断面図である。
第３の実施形態では、基板と処理室内壁との相対的な位置関係が変更可能である機構を搭載することにより、処理室内での定在波の発生による基板面内におけるマイクロ波の励起位置依存性を低減する発明が記載されている。一方、第４の実施形態においては、改質処理装置の処理室内に、反射機構（拡散機構）を設置し、マイクロ波を反射させて処理室内に拡散させることにより、基板面内におけるマイクロ波の励起位置依存性を低減する。その他の点については第３の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

図１２（ａ）では、反射機構は、回転機構４１１及び可動反射板（可動拡散板）４２１を備えており、例えば処理容器２１８の上壁であって処理室２１０の上部であり側壁に近い位置もしくは処理容器２１８の上壁及び側壁の境界に、回転機構４１１を有する可動反射板４２１が設けられる。処理室２１０内で定在波が発生すると、振幅が最大のホットスポット、振幅がゼロのコールドスポットが存在してしまい、ウエハ２面内で均一に励起することが困難となるが、反射機構を設けることにより、マイクロ波を反射させて処理室２１０内で拡散させ、位置依存性を低減させることが可能となる。また、回転機構４１１により反射機構を回転させることで、よりマイクロ波の拡散効果を向上させることができる。

また、図１２（ｂ）のように、回転機構４１２及び可動反射板（可動拡散板）４２２を有する反射機構を、例えば処理容器２１８の上壁であって処理室２１０の上部でありウエハ２の中心位置から外れた位置に対応する位置に設けてもよい。このように導波路２２１とウエハ２との間に可動反射板４２２を設けた場合であっても、マイクロ波を反射させて処理室２１０内で拡散させ、位置依存性を低減させることが可能となる。また、回転機構４１２により反射機構を回転させることで、よりマイクロ波の拡散効果を向上させることができる。

さらに、図１２（ｃ）のように、回転機構４１３及び可動反射板（可動拡散板）４２３を有する反射機構を、例えば処理容器２１８の上壁であって処理室２１０の上部でありウエハ２の中心位置に対応する位置に設けてもよい。このように導波路２２１とウエハ２との間に可動反射板４２２を設けた場合であっても、マイクロ波を反射させて処理室２１０内で拡散させ、位置依存性を低減させることが可能となる。また、回転機構４１３により反射機構を回転させることで、よりマイクロ波の拡散効果を向上させることができる。
また、図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）以外の形態であっても、マイクロ波を反射させて処理室２１０内で拡散させ、マイクロ波の励起位置依存性を低減させる形態であれば適用可能である。

可動反射板４２１、４２２、４２３の材質は、低抵抗である金属が好適であり、例えば銅、ＳＵＳ、アルミニウム等を使用することができる。

（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態に係る基板処理装置システムについて、図１３を用いて説明する。本発明は第１、２の実施形態のいずれに対しても適用可能である。本実施形態では、基板処理装置システムは、改質処理装置としてバッチ式縦型装置を有する。成膜処理装置は第１、２の実施形態と同様である。また、改質処理工程も第１〜５の実施形態と同様である。本発明の改質処理装置は、成膜処理装置とは処理炉の構成が異なるが、その他の点は同様であるので、説明を省略する。

本発明の処理炉６３５の構成について、図１３を用いて説明する。処理炉６３５はシールド６３６を備えている。シールド６３６は電磁波の外部への漏洩を効果的に防止可能な導電性材料によって形成されている。例えば、このような導電性材料としては、銅、アルミニウム、ステンレス、白金、銀等を挙げることができる。
但し、シールド６３６は導電性材料のみによって形成するに限らない。シールド６３６は多層シールド材料によって形成してもよい。例えば、多層シールド材料は、導電性材料からなる基材の内側表面に、電磁波を反射する反射面および電磁波を吸収する吸収層を形成することにより、構築することができる。

シールド６３６は一端開口で他端閉塞の円筒形状に形成されており、シールド６３６は中心線が垂直になるように縦に配されて固定的に支持されている。
シールド６３６の筒中空部は複数枚のウエハ２が収容される処理室６３７を形成しており、シールド６３６の内径は取り扱うウエハ２の最大外径よりも大きくなるように設定されている。

シールド６３６の下端部には炉口フランジ６３８が設置されている。炉口フランジ６３８は処理炉６３５の炉口６３９を形成している。炉口フランジ６３８がサブ筐体６２４に支持された状態で、シールド６３６は垂直に据え付けられた状態になっている。

図１３に示されているように、ボートエレベータ６３０は処理炉６３５の真下近傍に設置されている。ボートエレベータ６３０のアーム６３１に支持されたシールキャップ６３２は炉口６３９を閉塞する。すなわち、シールキャップ６３２は炉口フランジ６３８の外径と略等しい円盤形状に形成されており、ボートエレベータ６３０によって上昇されることにより、炉口６３９を気密シールする。
シールド６３６の下端部の側壁には排気管６４０の一端が接続されており、排気管６４０は他端を排気装置（図示せず）に接続されている。排気装置は排気管６４０を介して処理室６３７を排気する。

シールド６３６の排気管６４０と異なる位置には、処理室６３７へガスを供給するためのガス供給管６４１の一端が接続されている。

シールキャップ６３２上にはウエハ２を支持するボート（基板支持部、基板支持部材）６４２が垂直に立脚されて支持されている。ボート６４２は複数枚のウエハ２を保持して、処理室６３７内に搬入（ボートローディング）したり、処理室６３７外へ搬出（ボートアンローディング）したりする。ボート６４２は石英等の誘電体が使用されて形成されている。
ボート６４２は上下で一対の端板６４３、６４４と、３本の保持柱６４５、６４５、６４５とを備えている。３本の保持柱６４５、６４５、６４５は両端板６４３、６４４間に垂直に架橋されている。３本の保持柱６４５、６４５、６４５には複数の保持溝６４６が、上下方向に等間隔に配置されてそれぞれ形成されており、同一段の保持溝６４６、４６、４６は同一平面を構成している。すなわち、ボート６４２は同一段の保持溝６４６、６４６、６４６によってウエハ２の外周縁部を保持することにより、複数枚のウエハ２を中心を揃えて整列させた状態で保持する。
ボート６４２の下部には複数枚の断熱板６４７が配置されている。断熱板６４７は処理室６３７からの熱の放射を抑制する。

シールキャップ６３２下面の中央にはロータリーアクチュエータ６４８が設置されている。ロータリーアクチュエータ６４８の回転軸６４９はボート６４２を支持する。すなわち、ロータリーアクチュエータ６４８は回転軸６４９によってボート６４２を回転させる。シールド６３６の外部にはベース６５１が水平に配置されており、ベース６５１上にはケース６５２がシールド６３６と同心円状に設置されている。ケース６５２は上端が閉塞した円筒形状もしくは多角形筒状に形成されており、シールド６３６よりも大きい。ケース６５２はシールド６３６の外側を取り囲んで電磁波の漏洩を防止し、シールド６３６を保護するとともに、周囲の環境を保護する。なお、ケース６５２は省略してもよい。

シールド６３６側壁には電磁波導入ポート６５３が穿設されている。電磁波導入ポート６５３には処理室６３７内に電磁波を供給するための導波管６５４の一端が接続されている。導波管６５４の他端には処理室６３７内に電磁波を供給して加熱する加熱源としてのマイクロ波発生部（電磁波源）６５５が接続されている。マイクロ波発生部６５５は電磁波であるマイクロ波（ミリ波を含む）を供給する。マイクロ波発生部６５５は０．５〜３００ＧＨｚの電磁波を導波管６５４に供給する。

マイクロ波発生部６５５にはコントローラ３００が接続されている。コントローラ３００には処理室６３７内上部の温度を測定する上部温度測定器としての上側熱電対６５７と、処理室６３７内下部の温度を測定する下部温度測定器としての下側熱電対６５８とが接続されている。上側熱電対６５７の検出子としての熱接点６５７ａはボート６４２の最上段にセットされた上部温度モニタ用ウエハ（上側モニタウエハという。）２Ａに配置されており、下側熱電対６５８の検出子としての熱接点６５８ａはボート６４２の最下段にセットされた下部温度モニタ用ウエハ（下側モニタウエハという。）２Ｂに配置されている。したがって、上側熱電対６５７は上側モニタウエハ２Ａの温度を測定してコントローラ３００に送信し、下側熱電対６５８は下側モニタウエハ２Ｂの温度を測定してコントローラ３００に送信する。
上側モニタウエハ２Ａおよび下側モニタウエハ２Ｂは、熱特性、殊に温度特性が熱処理するウエハ（以下、プロダクトウエハという場合がある。）２と同一になるように、調製されている。上側モニタウエハ２Ａおよび下側モニタウエハ２Ｂは、例えば、不用品となったプロダクトウエハ２を使用してもよい。
複数枚のプロダクトウエハ２が、ボート６４２の上側モニタウエハ２Ａと下側モニタウエハ２Ｂとの間に配置される。

プロダクトウエハ２の配置枚数は２０〜３０枚が好ましい。これは、マイクロ波を１つの電磁波導入ポート６５３から導入する場合のビームの広がりに相当するためであり、マイクロ波とプロダクトウエハ２のエッジとの距離は、大凡、１５０ｃｍ前後である。望ましくは、２５枚である。これは、ポッド２の収納枚数に相当し、ウエハ移載機構６２７と整合するためである。

シールド６３６内周の下部には処理室６３７内下部を加熱する補助ヒータ６５９が同心円に敷設されており、補助ヒータ６５９は下側モニタウエハ２Ｂ近傍に配置されている。補助ヒータ６５９は抵抗発熱体等によって構成されており、コントローラ３００によって制御される電源６６０に接続されている。コントローラ３００は上側熱電対６５７の測定温度に基づいてマイクロ波発生部６５５をフィードバック制御し、下側熱電対６５８の測定温度に基づいて補助ヒータ６５９をフィードバック制御することにより、上側熱電対６５７の温度と下側熱電対６５８の温度とが同一になるように、マイクロ波発生部６５５と電源６６０とをそれぞれ制御する。

次に、本構成に係るバッチ式改質処理装置を用いる改質動作について説明する。図１４は、バッチ式改質処理装置による改質動作（Ｓ３０）のフローチャートである。

（基板搬入工程）
（ステップ３０２）
図１３および図１５に示されているように、予めボート６４２の最上段および最下段には、これから熱処理しようとするプロダクトウエハ２と同等の熱特性を有する上側モニタウエハ２Ａおよび下側モニタウエハ２Ｂがそれぞれ配置されている。所定枚数のウエハ２がボート６４２に移載されると、ボートエレベータ６３０はボート６４２を上昇させ、図１４に示されているように、処理炉６３５の処理室６３７に搬入（ボートローディング）する（ウエハチャージ）。なお、各プロダクトウエハ２の間隔は、照射する電磁波（マイクロ波もしくはミリ波）の波長の半波長以上とする。すなわち、電磁波の周波数が１０ＧＨｚであれば１５ｃｍ以上、６ＧＨｚであれば２．５ｃｍ以上、３ＧＨｚであれば５ｃｍ以上とする。

（ステップ３０４）
ボート６４２が上限に達すると、シールキャップ６３２が炉口６３９をシール状態に閉塞するので、処理室６３７は気密に閉じられた状態になる。気密に閉じられると、排気管６４０は処理室６３７を排気する（圧力調整）。

（ステップ３０６）
ロータリーアクチュエータ６４８はボート６４２を回転させる。このとき、窒素ガス等の不活性ガスがガス供給管６４１から供給される。処理室６３７内の圧力は２００Ｐａ〜２００，０００Ｐａの中の所定の値であって、例えば大気圧に調整される（圧力調整）。

（改質工程）
（ステップ３０７）
マイクロ波発生部６５５はウエハ２を１００〜４５０℃であって、例えば４００℃に昇温させる。すなわち、マイクロ波発生部６５５はマイクロ波またはミリ波を導波管６５４を経由して処理室６３７内に供給する。処理室６３７内に供給されたマイクロ波はウエハ２に入射して効率的に吸収されるために、ウエハ２をきわめて効果的に昇温させる。また、マイクロ波の電力はウエハ１枚の場合に対してウエハ枚数を乗じた電力を供給してもよい。

この際に、上側熱電対６５７および下側熱電対６５８は上側モニタウエハ２Ａおよび下側モニタウエハ２Ｂの温度をそれぞれ計測し、計測温度をコントローラ３００に送信する。コントローラ３００は上側熱電対６５７の測定温度に基づいてマイクロ波発生部６５５をフィードバック制御し、下側熱電対６５８の測定温度に基づいて補助ヒータ６５９の電源６６０をフィードバック制御することにより、上側熱電対６５７の温度と下側熱電対６５８の温度とが同一になるように、マイクロ波発生部６５５と電源６６０とをそれぞれ制御する。予め設定された処理時間が経過すると、ボート６４２の回転、ガスの供給、マイクロ波の供給および排気管６４０の排気が停止する（マイクロ波導入）。

（搬出工程）
（ステップ２１２）
改質工程の終了後、処理室２１０内の圧力を大気圧に復帰する（大気圧復帰）。その後に、ボートエレベータ６３０はシールキャップ６３２を下降させることにより、炉口６３９を開口するとともに、ボート６４２を炉口６３９から処理室６３７の外部に搬出（ボートアンローディング）する（ウエハディスチャージ）。
以上の作動が繰り返されることにより、複数枚のウエハ２がバッチ処理される。

上記では、電源が一つであって、分配器を設けない例について説明したが、図１６のようにウエハ２ごとに固定分配器を設けてもよい。

さらに、電源を複数設けてもよい。例えば、図１７のように、ウエハごとに電源を設けてもよい。その場合は、各ウエハ間に導波路を設ける。

本実施形態のように、複数枚のウエハを一括してバッチ処理することにより、ウエハを一枚ずつ枚葉処理する場合に比べて、スループットを大幅に向上させることができる。

また、枚葉装置では、ウエハ面に対して垂直にマイクロ波を照射した場合、ウエハで反射する成分が存在する。一方、縦型装置のように横から照射することにより、垂直にマイクロ波を照射する際には導波管に隣接する最上位のウエハでの反射を抑制することができる。

（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態に係る基板処理装置システムについて、図１８を用いて説明する。本発明は第１〜５の実施形態のいずれに対しても適用可能である。本実施形態では、基板処理装置システムは、処理後の基板を冷却する冷却機構として改質処理装置とは異なる別装置である冷却処理装置を有し、改質処理装置から搬出された基板を冷却処理装置へ搬入して冷却処理することにより基板を冷却する。成膜処理装置、改質処理装置については第１〜５の実施形態と同様である。

図１８のように、基板処理装置システムは、ロードロック室（ロードロックチャンバ）５１０、搬送室（搬送チャンバ）５２０、改質処理室（改質処理チャンバ、第１〜４の実施形態に係る改質処理装置の処理室に相当）５３０、冷却機構を有する冷却処理室（冷却処理チャンバ、クーリングチャンバ）５４０を有する。基板はロードロック室５１０から搬送ロボット５２２により搬送室５２０を通って改質処理室５３０へ搬入され、基板に改質処理が為される。改質処理後、基板は搬送ロボット５２２により改質処理室５３０から搬送室５２０を通って冷却処理室５４０へと搬入される。冷却処理室５４０内で基板は急冷される。急冷する理由は、膜の結晶性を制御するためである。基板温度を下げている間も結晶の成長は進んでいるため、できるだけ急速に冷却することにより、結晶成長を抑制して結晶状態をクエンチし、所望の結晶構造を得ることが可能となる。従って、例えば基板が１００℃以下の温度となるまで冷却処理装置５４０内で基板を冷却するとよい。なお、搬送ロボット５２２による基板の搬送、基板の加熱、基板の冷却等は図示しないコントローラ３００により制御される。

また、冷却処理装置５４０内で基板を冷却している間に、改質処理室において別の基板の改質処理を行うことにより、スループットを向上させることが可能である。

本発明によれば、高誘電率を有する絶縁性薄膜であって分極した薄膜が形成された形態の基板に対して、マイクロ波（ミリ波を含む）等の電磁波によってエネルギーを供給することにより、結晶粒成長や結晶配向性の改善等の、いわゆる改質処理を行うことができる。

また、本発明によれば、基板に照射するマイクロ波の波長を、薄膜の分極双極子が感応し、振動や回転する帯域から選択することにより、効率的には薄膜の改質処理を行うことができる。

また、本発明によれば、降温プロファイルを制御することにより、結晶性の制御を容易にすることができる。

また、本発明によれば、基板と薄膜の相対膜厚あるいは相対堆積を規定することによって、温度上昇を抑制しつつ効果的に薄膜の改質処理を行うことができる。

また、本発明によれば、マイクロ波の反射により発生する定在波が引き起こす局所的なマイクロ波電力の差に起因する薄膜の改質効果の面内分布の発生を抑制することができる。

また、本発明によれば、改質対象となる薄膜にマイクロ波パワーを効率的に伝播することが可能である。

また、本発明によれば、有極性分子から構成される薄膜にマイクロ波を照射することにより、有極性分子を励起し、薄膜の結晶性の向上、膜密度の改善、反応性ガスによる酸化・窒化といった、薄膜の改質を行うことができる。

なお、本発明は上記第１〜６の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能である。

例えば、改質工程においてマイクロ波を照射する際に処理室内にＮ_２ガスを供給する例が上述されているが、Ｎ_２ガスにＯ_２ガスを所定量だけ添加してもよい。Ｏ_２ガスを添加することにより、Ｈｉｇｈ−ｋ膜の酸化をサポートすることができる。

また、上記実施形態においては、分極した薄膜である絶縁膜としてジルコニウム酸化膜を形成する場合について説明したがこれに限らず、その他シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、Ｚｒ、Ｔｉのいずれかを２０ａｔｏｍ％以上含む誘電率８以上の化合物であるか、それらを含む積層膜について適用することができる。
例えば、ハフニウム酸化膜（HfＯ_２膜）、チタン酸化膜（ＴｉＯ_２膜）、ジルコニウムアルミニウム酸化膜（ＺｒＡｌＯ膜）、ハフニウムアルミニウム酸化膜（ＨｆＡｌＯ膜）、酸化チタンストロンチウム膜（ＳｒＴｉＯ膜）等にも適用することができる。

また、被処理基板はＬＳＩ、CMOS等に用いられる半導体ウエハに限らず、ＬＥＤ等に用いられる基板であってもよい。

また、薄膜の改質処理を行う際は、マイクロ波の照射に加えて加熱を併用することにより、効率的に薄膜の改質処理を行うことができる。

また、結晶中のイオン分極で加熱を積極的に利用する場合は、マイクロ波領域のうち約３０〜３００ＧＨｚ帯のミリ波を利用するとよい。

また、Ｈｉｇｈ−ｋ膜の場合、主要な応用分野としてキャパシタがあるが、この場合下部金属電極、あるいはさらに上部金属電極との積層構造が想定される。数ＧＨｚのマイクロ波を金属に対して用いた場合、アーキングが発生し、キャパシタ構造にダメージを与える危険性があるが、数１０ＧＨｚのマイクロ波はアーキング発生の懸念が低いため、上記のキャパシタ応用の場合、例えば１０〜４０ＧＨｚ程度のマイクロ波を用いる事が望ましい。

[本発明の好ましい態様]
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。

（付記１）
分極した材料に対して、マイクロ波によってエネルギーを供給することにより、材料を励起し、薄膜の結晶性の向上、膜密度の改善、反応性ガスによる酸化・窒化といった、薄膜の改質を実施することを特徴とする半導体装置の製造方法および、この半導体装置の製造方法を用いて製造された半導体装置が提供される。

（付記２）
好ましくは、分極した薄膜がＳｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｓｒのいずれかを２０atom
％以上含む誘電率８以上の化合物であるか、それらを含む積層膜である。

（付記３）
好ましくは、使用するマイクロ波の波長が、対象となる分極薄膜を形成する材料の双極子が感応する共振周波数帯に含まれるように設定されている。

（付記４）
好ましくは、改質に際してマイクロ波と重畳して加熱または冷却の少なくとも一方を行う。

（付記５）
好ましくは、対象物が誘電体以外の基板上に、少なくとも誘電体薄膜が全面または部分的に形成されており、かつ基板に対する誘電体薄膜の膜厚が１／１００以下であるか、対象物に対する誘電体の体積が１／１００以下であることの、少なくとも一方を満たす。

（付記６）
本発明の他の態様によれば、（付記１）〜（付記５）に記載の半導体装置の製造方法に用いられる対象薄膜の励起に必要なマイクロ波発生機構を備えた基板処理装置が提供される。

（付記７）
好ましくは、処理中に薄膜の形成された基板の温度を制御するために処理室内の加熱機構または冷却機構、あるいは処理後の降温プロファイルを制御するための処理室内の温度制御機構または別室での冷却機構の４種のうち、少なくとも何れか一つを備える。

（付記８）
好ましくは、処理室内での定在波の発生によるマイクロ波による励起の基板内位置依存性を解消するため、処理中に基板の処理室との相対位置を少なくとも１／４波長分以上移動させるか、処理室内に可動反射・拡散板を設置し、マイクロ波を攪拌することを特徴とする薄膜改質用製造装置が提供される。

（付記９）
好ましくは、複数の基板を平行にマイクロ波の半波長以上の距離を確保して処理室内に設置し、かつマイクロ波を基板の横方向に設置した導波管により、基板表面に平行に導入する。

（付記１０）
好ましくは、使用するマイクロ波の波長が０．５〜３００ＧＨｚ、好ましくは１ＧＨｚ〜５０ＧＨｚの少なくとも一つの周波数を用いる。

（付記１１）
本発明の他の態様によれば、高誘電体膜が形成された基板を処理室へ搬入する工程と、基板にマイクロ波を照射することにより、高誘電体膜を加熱して改質する工程と、基板を前記処理室から搬出する工程と、を有する半導体装置の製造方法が提供される。

（付記１２）
好ましくは、高誘電体膜は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｓｒのいずれかを２０ａｔｏｍ％以上含み、かつ比誘電率が８以上の化合物、もしくは前記化合物を含む積層膜である。

（付記１３）
好ましくは、マイクロ波の周波数は、分子を構成する双極子が感応する周波数帯から選択される。

（付記１４）
好ましくは、マイクロ波の周波数は、高誘電体膜の誘電緩和の周波数特性に基づき、選択される。

（付記１５）
好ましくは、マイクロ波の周波数は、０．５GHｚ〜３００ＧＨｚの周波数帯から選択される。

（付記１６）
好ましくは、高誘電体膜を改質する際は、基板にマイクロ波を照射しつつ前記基板を冷却もしくは加熱する。

（付記１７）
本発明の他の態様によれば、処理室と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置と、マイクロ波発生装置で発生させたマイクロ波を前記処理室に供給する導波口と、高誘電体膜が形成された基板が収容された処理室へ導波口からマイクロ波を供給するマイクロ波発生装置を制御する基板処理装置が提供される。

（付記１８）
好ましくは、基板を支持し基板回転機構を有する基板支持部を有し、制御部は、処理室へマイクロ波を供給しつつ、導波口の中心位置と、処理室に収容された基板の中心位置との相対距離がマイクロ波の波長の１／４波長以上開くよう基板を移動させるようにマイクロ波発生装置および基板回転機構を制御する。

（付記１９）
好ましくは、処理室内に、マイクロ波を反射する反射板を有する反射機構および反射機構を回転させる反射板回転機構を備え、制御部は、処理室へマイクロ波を供給しつつ、反射板を回転させてマイクロ波を処理室内で拡散させるようマイクロ波発生装置および反射機構を制御する。

（付記２０）
本発明の他の態様によれば、分極した材料を含む薄膜が形成された基板を複数枚収容可能な反応管もしくは反応容器と、反応管もしくは反応容器内で前記基板を積層して支持する基板支持部材と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置と、マイクロ波発生装置で発生させたマイクロ波を反応管もしくは反応容器内に供給する導波口と、を有し、基板は、基板の上面に反応管もしくは反応容器内に供給するマイクロ波の半波長以上の空間を設けるよう基板支持部材に載置され、導波口は反応管もしくは反応容器の側壁に設けられることを特徴とする基板処理装置が提供される。

２ ウエハ
１０ 成膜処理装置
４０、２１８、６３５ 成膜処理炉
８０、２１０、６３７ 処理室
９０ 排気管
２００ 改質処理装置
３００ コントローラ

Claims (10)

1. 高誘電体膜が形成された基板を処理室へ搬入する工程と、
   前記基板にマイクロ波を照射することにより、高誘電体膜を加熱して改質する工程と、
   前記基板を前記処理室から搬出する工程と、
   を有する半導体装置の製造方法。
2. 前記高誘電体膜は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｓｒのいずれかを２０ａｔｏｍ％以上含み、かつ比誘電率が８以上の化合物、もしくは前記化合物を含む積層膜である請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記マイクロ波の周波数は、前記高誘電体膜の誘電緩和の周波数特性に基づき選択される請求項１もしくは２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記マイクロ波の周波数は、０．５ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの周波数帯から選択される請求項１から３に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記高誘電体膜を改質する際は、前記基板にマイクロ波を照射しつつ前記基板を冷却もしくは加熱する請求項１から４に記載の半導体装置の製造方法。
6. 請求項１から５に記載の半導体装置の製造方法により製造された半導体装置。
7. 処理室と、
   マイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置と、
   前記マイクロ波発生装置で発生させたマイクロ波を前記処理室に供給する導波口と、
   高誘電体膜が形成された基板が収容された処理室へ前記導波口から前記マイクロ波を供給する前記マイクロ波発生装置を制御する基板処理装置。
8. 前記処理室内に、マイクロ波を反射する反射板を有する反射機構および前記反射機構を回転させる反射板回転機構を備え、
   前記制御部は、前記処理室へマイクロ波を供給しつつ、前記反射板を回転させて前記マイクロ波を前記処理室内で拡散させるよう前記マイクロ波発生装置および前記反射機構を制御する請求項７に記載の基板処理装置。
9. 高誘電体膜が形成された基板を複数枚収容可能な反応管もしくは反応容器と、
   前記反応管内で前記基板を積層して支持する基板支持部材と、
   マイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置と、
   前記マイクロ波発生装置で発生させたマイクロ波を前記反応管もしくは反応容器内に供給する
   導波口と、を有し、
   前記基板は、前記基板の上面に前記反応管内に供給する前記マイクロ波の半波長以上の空間を設けるよう前記基板支持部材に載置され、
   前記導波口は前記反応管の側壁に設けられることを特徴とする基板処理装置。
10. 請求項７から９に記載の基板処理装置を用いて製造された半導体装置。